JP6461503B2 - ガスタービン排気制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明はタービンシステムに関し、特に、こうしたタービンシステムにより生成される排出物質を制御するシステムと方法とに関する。

ガスタービンシステムは一般に、圧縮機と燃焼器とタービンと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。燃焼器は、燃料と圧縮空気との混合物を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが延いてはタービンのブレードを駆動する。ガスタービンエンジンにより生成される排ガスは、窒素酸化物（ＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）及び未燃炭化水素等のある一定の副産物を含むことがある。

米国特許第８１５１５７１号明細書

一般に、排ガスを環境中に放出する前に排ガス中のこうした副産物を除去又は実質的に減量することが望ましい。

原特許請求の範囲に記載の本発明の範囲に対応する一部の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は特許請求の範囲に記載の本発明を制限することを意図するものではなく、寧ろこれらの実施形態は本発明の可能な形態の概要を示すことのみを意図している。実際に、本発明は、以下に記載の実施形態と同様であるか又は相違することもある様々な形態を包含する。

第１の実施形態において、システムは、ガスタービンエンジンと、選択触媒還元システムと、ガスタービンエンジンにより生成される排ガスの、事前設定された排気組成物の変動に少なくとも部分的に基づいて選択触媒還元システムの動作を調整するように構成される制御システムとを含む。

第２の実施形態において、タービンシステムの運転方法は、タービンシステムのガスタービンエンジンを全負荷未満で動作させる段階と、ガスタービンエンジンにより生成される排ガス中の排気組成物の第１のレベルを増加させる段階と、タービンシステムの選択触媒還元システムの利用可能な容量を利用して、タービンシステムにより生成される処理済み排ガスにおける排気組成物の第２のレベルを低下させる段階とを含む。

第３の実施形態において、タービンシステムの運転方法は、タービンシステムのガスタービンエンジンにより生成される排ガスにおける排気組成物の第１の量の変動をスケジュール設定する段階と、タービンシステムのガスタービンエンジンにより生成される排ガスにおける排気組成物の第１の量の変動に少なくとも部分的に基づいて、タービンシステムの選択触媒還元システムの動作を調整して、選択触媒還元システムにより生成される処理済排ガスにおける排気組成物の第２の量を達成する段階とを含む。

本発明の上記及びその他の特徴と態様と利点とは、図面全体を通して同じ符号が同じ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、よりよく理解されよう。

本発明の実施形態に従った、タービンシステムの排気を制御するシステムを含むタービンシステムのブロック図である。 図１のタービンシステムの排気制御方法の流れ図である。 図１のタービンシステムの排気制御方法の流れ図である。

本発明のひとつ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施形態の全ての特徴が本明細書に説明されない場合もある。こうしたいかなる実際の実施形態の開発においても、あらゆる技術又は設計プロジェクトの場合と同様に、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠すること等の、実施態様毎に異なることもある、開発者の特定の目標を達成するために、その実施態様特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解するべきである。更に、このような開発努力は複雑であり、且つ時間がかかることもあるが、それでもやはり、本開示を利用することができる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業であることを理解するべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を示す場合、「１つの」、「ある」、「この」及び「前記の」という言葉は、その要素が１つ以上あることを意味することを意図している。「具備する」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的であることとし、列挙された要素以外の付加的な要素が存在する場合もあることを意味する。

本発明の実施形態は、一般に、ガスタービンシステムの排気を制御する技術に関する。例えば、ガスタービンシステムにおいては、１つ以上のガスタービンエンジンが燃料を燃焼させて、複数のブレードを有する１つ以上の各タービン段を駆動する燃焼ガスを生成する。燃焼される燃料の種類によって、燃焼プロセスにより生成される排気は、窒素酸化物（ＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）及び未燃炭化水素を含むことがある。往々にして、ガスタービン発電所等のガスタービンシステムにより放出される排ガスの組成物には、厳しい規制要件が課せられる。単なる例として、規制により、環境中に放出される排ガスのＮＯ_x組成物は３ｐｐｍ等の閾値レベル未満であることが求められることがある。

排ガス流中のＮＯ_xを除去又は減量する１つの技術は、選択触媒還元（ＳＣＲ）によるものである。ＳＣＲプロセスでは、アンモニア（ＮＨ₃）等の還元剤が排ガス流中に注入されると共に、ＮＯ_xと反応して窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とを生成する。ＳＣＲプロセスの有効性は、排ガス流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。しかし、還元剤が排ガス流中に過注入されると、余分の還元剤はＮＯ_xと反応することができない。その結果として、ある量の還元剤が反応せずにＳＣＲプロセスを「すり抜ける」又は素通りすることがある。

排ガス流中のＮＯ_x（又はその他の排気組成物）を除去又は減量するまた他の技術は、ガスタービンシステムの動作を調整することによるものである。例えば、燃料システムの動作（例えば燃空比の調節、燃料分割等）を調整して、ガスタービンシステムの燃焼器内で低い火炎温度を維持し、以ってＮＯ_x排出レベルを低下させることができる。更に他の例として、ガスタービンシステムの燃焼器内に水又は蒸気を噴射することにより、ＮＯ_x排出レベルを低下させることができる。しかし、水又は蒸気の噴射は、タービンシステム内の燃焼振動（例えば音響及び／又は圧力振動）を増加させかねない。このため、タービンシステムの燃焼器内に噴射される水又は蒸気の量を監視し且つ／又は調整することが望ましい。

よって、本発明の実施形態によれば、単純サイクル重構造ガスタービンシステム又は航空エンジン転用型燃焼システム等のタービンシステムは、ガスタービンシステムの様々な排気制御技術（例えば燃空比、火炎温度、蒸気噴射、水噴射、燃料組成等）を調整し且つ調和させるように構成される制御システムと、選択触媒還元システム（例えば排気部内にある）とを含んで、タービンシステムにより生成される排気（例えば煙突排気）の所望の品質を達成することができる。例えば、更に以下に説明するように、制御システムは、ＳＣＲシステムの利用可能なＮＯ_x還元容量を利用してＮＯ_x排出レベルを低下させる一方で、ガスタービンシステムにおける排気制御手段の使用を減らすことができるように構成される。このような態様で、燃料システムの動作を調節し（例えば燃空比を高く又は低くし）、蒸気又は水噴射を減少させ、又は、ガスタービンシステムのその他の動作パラメータを調節又は改善して、燃焼振動（例えば音響及び／又は圧力振動）を減らし、以って燃焼器及び／又はタービン器材の機械疲労及び熱疲労を低減することができる。加えて、タービンシステムの性能、出力、効率を向上させることができる。

１つの実施形態において、ガスタービンシステムのガスタービンにより生成されるＮＯ_xの量の変動（例えばＳＣＲシステムに送られる排ガス中のＮＯ_xの量の変動）を事前設定又はスケジュール設定することができる。例えば、ガスタービンのＮＯ_x排出量をガスタービン負荷の関数としてスケジュール設定することができる。よって、ＳＣＲシステムの制御装置は、ガスタービンシステムの排気（例えば煙突排気）において排出レベル（例えばＮＯ_xレベル）を閾値未満に維持するために適切な量の還元剤（例えばガスタービンにより生成される排ガス中のＮＯ_xの量に基づく）をＳＣＲシステム中に注入するように構成される。また他の実施形態では、ＳＣＲシステムにおける還元剤の「すり抜け」量（例えば未反応の還元剤の量）とガスタービンシステムの排気（例えば煙突排気）におけるＮＯ_xの量とを同時に制御して、ガスタービンエンジンの排気制御手段を減らしてＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯ_xを増加させる一方で、ＳＣＲシステムにおいて依然として所望のレベル又は閾値レベル未満の排出レベル（例えば煙突ＮＯ_xレベル）を維持することができる。そのために、１つ以上のガスタービン（例えば燃焼）動作パラメータを調節して、燃焼器における排気制御手段を減らすことができ、これによって、以下に説明するように、ガスタービンの動作時に生じる燃焼振動の大きさを低減し、且つ／又はタービンシステムの出力、性能、効率等を向上させることができる。以下に記載の実施形態は、ＮＯ_xの削減との関連で説明するが、開示の技術はその他の排気組成物（例えばＣＯ）の削減にも利用可能であることが理解されよう。加えて、ある一定の実施形態では、第１の排気組成物（例えばＮＯ_x）のレベルを増加させて、以って第２の排気組成物（例えばＣＯ）のレベルを低下させることができる。例えば、以下に記載の態様で、ガスタービンエンジンにおけるＮＯ_x排出レベルを増加させると、ガスタービンエンジンにおけるＣＯレベルは低下する。

上記を念頭に置いた上で、図１は、ガスタービンエンジン１２と排気処理システム１４とを含む例証的なタービンシステム１０のブロック図である。ある一定の実施形態では、タービンシステム１０は発電システムであってよい。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガス等の液体又は気体燃料を燃焼させて、タービンシステム１０を駆動するために高温の燃焼ガスを発生させる。

図に示すように、ガスタービンエンジン１２は、吸気部１６と圧縮機１８と燃焼部２０とタービン２２とを含む。タービン２０は、軸を介して圧縮機１８に駆動的に結合される。作用において、空気は吸気部１６を通ってタービンエンジン１２に流入する（矢印１７により示す）と共に、圧縮機１８内で加圧される。圧縮機１８は、軸に結合される複数の圧縮機ブレードを含んでよい。軸の回転が圧縮機ブレードの回転を引き起こし、以って空気が圧縮機１８内に引き込まれると共に、この空気が圧縮された後に燃焼部２０内に流入する。

燃焼部２０は、１つ以上の燃焼器を含んでよい。１つの実施形態では、複数の燃焼器が軸の周りにおいて略円形状又は環状の構成をなして複数の周方向位置に配置される。圧縮空気が圧縮機１８を出て燃焼部２０に流入すると、圧縮空気は燃焼器内で燃料１９と混合されて燃焼される。例えば、燃焼器は、燃料−空気混合物を燃焼、排気制御、燃料消費量、出力等に適する比で燃焼器内に噴射する１つ以上の燃料ノズルを含んでよい。空気と燃料との燃焼により、高温の加圧された排ガスが発生し、この排ガスはその後タービン２２内において１つ以上のタービン段（各々が複数のタービンブレードを有する）を駆動するために用いられる。作用において、タービン２２内に流入し且つタービン２２を通って流れる燃焼ガスは、タービンブレードに衝突すると共にタービンブレード間を流れて、以ってタービンブレードを駆動し、これによって軸を回転させて、発電所の発電機等の負荷を駆動する。上述したように、軸が回転することによって、更にまた、圧縮機１８内のブレードは、吸気部１６により受けられた空気を引き込み且つ加圧する。

タービン２２を通って流れる燃焼ガスは、排ガス流２６としてタービン２２の下流端部２４から流出する。排ガス流２６は下流方向２７に排気処理システム１４の方へと流れ続ける。排気処理システム１４は、高圧（ＨＰ）空気−蒸気熱交換器３１と、中圧（ＩＰ）空気−蒸気熱交換器３３と、低圧（ＬＰ）空気−蒸気熱交換器３５とを含んで、排ガス２６からその他のシステム（例えば蒸気タービン）に熱エネルギーを伝達する。その他の実施形態は、熱交換器３１、３３及び３５の一部を含むか、又はいずれをも含まなくてよい。タービン２２の下流端部２４は、排気処理システム１４のＳＣＲシステム３０に流体結合される。上述したように、燃焼プロセスの結果として、排ガス２６は、窒素酸化物（ＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）及び未燃炭化水素等のある一定の副産物を含むことがある。ある一定の規制要件により、排ガス流を大気中に放出する前に、こうした副産物の濃度を低下させるか又は実質的に最低限に抑えるために、排気処理システム１４を導入することができる。理解されるように、ＳＣＲシステム３０は、その用途におけるＮＯ_xの最大削減要求量に基づく設計又は規模とされる。その結果として、ガスタービンエンジン１２が全負荷又は基底負荷で動作しておらず、ガスタービンエンジン１２が最大レベルのＮＯ_x又は最大流量の排ガス２６を生成していない時は、ＳＣＲシステム３０は余剰の（例えば使用されていない）ＮＯ_x還元容量を有することがある。以下に記載の態様で、ガスタービンエンジン１２が全負荷未満の時に、燃焼器におけるその他の排気制御手段の使用を減らすことにより、ＳＣＲシステム３０の余剰の又は使用されていないＮＯ_x還元容量を利用して燃焼器２４の動作及び寿命を向上させることができる。加えて、ある一定の実施形態では、ＳＣＲシステム３０を過大設計して、余剰のＮＯ_x還元容量を得ることができる。よって、ガスタービンエンジン１２を全負荷で動作させることができると共に、ＳＣＲシステム３０の使用されていない容量を利用して排ガス流２６におけるＮＯ_xレベルを更に低下させることができる。

上述したように、排ガス流中のＮＯ_xを除去又は減量する１つの技術は、選択触媒還元（ＳＣＲ）プロセスを用いることによるものである。例えば、排ガス流２６からＮＯ_xを除去するＳＣＲプロセスでは、アンモニア（ＮＨ₃）が排ガス流（例えば排ガス２６）中に注入されると共に、ＮＯ_xと反応して窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とを生成する。理解されるように、このＳＣＲプロセスの有効性は、排ガス２６中に注入されるアンモニア（ＮＨ₃）の量に少なくとも部分的に依存する。以下に詳細に説明するように、排ガス２６中に注入されるアンモニア（ＮＨ₃）の量をガスタービンエンジン１２のその他の動作パラメータと一緒に調整して、排出レベル（例えばＮＯ_x排出レベル）をガスタービンエンジン１２（例えば排ガス２６）及び全体としてのタービンシステム（例えば煙突排気）における１つ以上の閾値レベル未満に維持することができる。

図１に示すように、ＳＣＲシステム３０は、矢印３４により示すように排ガス流２６中に還元剤を注入するように構成される還元剤（例えばアンモニア（ＮＨ₃））注入格子３２を含む。１つの実施形態において、還元剤注入格子３２は、排ガス流２６中に還元剤を注入するための開口を有するパイプ網を含んでよい。還元剤の注入（例えば矢印３４）はＳＣＲ触媒３７の上流で行われる。理解されるように、還元剤と排ガス２６中のＮＯ_xとがＳＣＲ触媒３７を通過する時に反応して窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とが生成され、以って排ガス２６からＮＯ_xが除去される。その結果として得られる排気（例えば処理済みの排ガス流３６又は煙突排気）は、矢印４０により示すようにタービンシステム１０の煙突３８を介して大気中に放出される。更に、煙突３６は、一部の実施形態では静音器又は消音器を含んでよい。

図に示すように、還元剤（例えばアンモニア（ＮＨ₃））は、還元剤供給源４２（例えば還元剤貯蔵タンク）により還元剤注入格子３２に供給される。加えて、弁４４が、還元剤注入格子３２に供給される還元剤の流量を制御する。以下に詳細に説明するように、還元剤の流量を制御して、処理済みの排ガス流３６（例えば煙突排気）において所望のＮＯ_x濃度（例えば閾値レベル未満）を達成することができる。例えば、ある一定の実施形態では、還元剤の流量は、少なくとも部分的に、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの量に基づいてよい。加えて、還元剤の流量は、少なくとも部分的に、ＳＣＲシステム３０の利用可能なＮＯ_x還元容量に基づいてよい。

本実施形態は、全体的に排ガス流２６の処理と排ガス流２６からのＮＯ_xの除去とに重点を置く一方で、その他の実施形態は、一酸化炭素又は未燃炭化水素等のその他の燃焼副産物の除去を実現する。よって、供給される触媒は、排ガス流２６から除去される組成物によって変わる。加えて、本明細書に開示の実施形態は、１つのＳＣＲシステム３０を用いることに制限されるわけではなく、複数のＳＣＲシステム３０を含んでもよいことを理解されたい。

更に図１を参照すると、タービンシステム１０は、更に、ガスタービンエンジン１２と排気処理システム１４との動作を調整するように構成されるタービンシステム制御システム４６を含む。特に、タービンシステム制御システム４６は、排気処理制御システム４８とガスタービンエンジン制御システム５０とを含み、これらは共同で作用して排ガス流２６の処理と排ガス流２６からの排出物質（例えばＮＯ_x、ＣＯ等）の除去とを調和させる。例えば、以下に詳細に説明する態様で、タービンシステム制御システム４６（例えば排気処理制御システム４８及び／又はガスタービンエンジン制御システム５０）は、ガスタービンエンジン１２及び／又はＳＣＲシステム３０の１つ以上の動作パラメータを調整して、排ガス２６と処理済みの排ガス３６との両方における相対的なＮＯ_x削減量を制御することができる。換言すれば、ＳＣＲシステム３０におけるＮＯ_x還元量を増加させて、ガスタービンエンジン１２におけるＮＯ_x排出制御の軽減を可能にすることができる。

図に示すように、排気処理制御システム４８は、マイクロプロセッサ５４とメモリ５６とを有する制御装置５２を含む。例えば、メモリ５６は、実行可能な命令を有する何らかの適切な有形のコンピュータ可読媒体を含んでよい。排気処理制御システム４８は、更に、タービンシステム１０の１つ以上の動作パラメータを制御又は調整してガスタービンエンジン１２及びＳＣＲシステム３０におけるＮＯ_x削減量を調和させる（例えば相対的なＮＯ_x削減量を最適化する）ように構成されるオプティマイザ５８を含む。例えば、オプティマイザ５８は更にまた、排ガス２６及び処理済みの排ガス３６におけるＮＯ_x削減を制御する実行可能な命令を有するメモリ５６を含んでよい。排気処理制御システム４８は、ＳＣＲシステム３０の１つ以上の構成要素を調整する。例えば、図の実施形態に示すように、排気処理制御システム４８は弁４４の動作を調整することができる。このような態様で、排気処理制御システム４８はＳＣＲシステム３０に流入する還元剤（例えばアンモニア（ＮＨ₃））の流量を制御して、以ってガスタービンエンジン１２の下流における排ガス２６からのＮＯ_x除去量を調節することができる。排気処理システム４８は、ＳＣＲシステム３０のその他の構成要素の動作も調整することができる。

加えて、排気処理制御システム４８は、測定フィードバックに基づいてＳＣＲシステム３０の様々な構成要素の動作を調整することができる。例えば、ＳＣＲシステム３０は、ＳＣＲシステム３０における還元剤の「すり抜け」を測定するように構成されるセンサ６０を含んでよい。上述したように、還元剤が排ガス２６中に過注入されると、ある量の還元剤は反応せずにＳＣＲシステムを「すり抜ける」又は素通りすることがある。よって、センサ６０は、ＳＣＲシステム３０内且つ還元剤注入格子３２の下流において未反応還元剤の量を測定するように構成される。更に、ＳＣＲシステム３０は、煙突３８から排出される処理済みの排気流３６の組成を連続的に監視するセンサ６２と、還元剤供給源４２から還元剤注入格子３２に供給される還元剤の流量を測定するように構成されるセンサ６４と、排ガス２６中のＮＯ_xを測定するように構成されるセンサ６６とを含んでよい。例えば、ある一定の実施形態では、制御装置５２とセンサ６２及び６６とは、その内容全体を参照によりここに援用する米国特許第８１５１５７１号に記載のレーザ排気測定及び制御システムを用いて排気パラメータを測定することができる。加えて、ある一定の実施形態において、センサ６０及び制御装置５２は、その内容全体を参照によりここに援用する米国特許出願第２０１１／０１９２１４７号に記載の還元剤すり抜け制御アルゴリズムを用いて、還元剤のすり抜けを測定することができる。以下に説明する態様で、排気処理制御システム４８は、センサ６０、６２、６４及び６６の１つ以上又はＳＣＲシステム３０のその他のセンサからの測定フィードバックを利用して、排ガス２６及び処理済みの排ガス３６におけるＮＯ_x削減を調整し且つ調和させる（例えば相対的なＮＯ_x削減量を最適化する）。

同様に、オプティマイザ５８は、更に、ガスタービンエンジン１２の動作を調整することができる。ある一定の実施形態において、オプティマイザ５８は、センサ６０、６２、６４及び６６からの測定フィードバックに基づいてガスタービンエンジン１２の１つ以上の構成要素の動作を調整することができる。例えば、ガスタービンエンジン制御システム４０のガスタービン制御装置６８は、オプティマイザ５８及び／又は排気処理制御システム４８から動作命令又はフィードバックを受ける。これに呼応して、ガスタービン制御装置６８はガスタービンエンジン１２の１つ以上のシステム７０を調整する。例えば、ガスタービン制御装置６８は、燃焼器２０に燃料を供給する燃料システム７２の動作を制御することができる。特に、ガスタービン制御装置６８は、燃料システム７２を制御して燃料流量、燃料分割（例えば２つ以上の燃料ノズル及び／又は燃焼器間における燃料の分割）、燃料組成、空燃比（例えば燃料過剰、燃料希薄、又は実質理論比）又は燃焼器２０に供給される燃料に関連あるその他の動作パラメータを調整することができる。加えて、ガスタービン制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２の給水システム７４の動作を調整することができる。上述したように、水又は蒸気を燃焼器２０内に（例えば給水システム７４から）噴射して、タービン２２から排出される排ガス流２６中のＮＯ_xを削減することができる。しかし、燃焼器２０内に噴射される水（例えば液体の水又は蒸気）は、燃焼器２０における圧力振動（例えば燃焼振動）を増加させることがある。このため、以下に記載の態様で、タービンシステム制御システム４６（例えば排気処理制御システム４８及び／又はガスタービンエンジン制御システム５０）は、給水システム７４から燃焼器２０内に噴射される水の量の制御と併せて、タービンシステム１０のその他の動作パラメータを制御するように構成される。更に、ガスタービン制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２のその他の運転システム７６を調整又は制御すること（例えば排気処理制御システム４８及び／又はオプティマイザ５８から受ける命令及び／又はフィードバックに基づいて）ができる。例えば、その他の運転システム７６は、ガスタービンエンジン１２のモード、燃焼器２０の火炎温度等を調整するように構成されるシステムを含んでよい。

更に、タービンシステム制御システム４６（例えば排気処理制御システム４８及び／又はガスタービンエンジン制御システム５０）は、ユーザ入力７８を受けると共に、このユーザ入力７８に基づいてタービンシステム１０の動作とＮＯ_xレベルとを制御するように構成される。例えば、ユーザ入力７８は、還元剤価格、排ガスＮＯ_x設定点、電気料金、電力需要、燃料価格、燃焼器運転休止周期、ＮＯ_xクレジット、その他の財務情報及び／又はタービンシステム１０の動作に関係あるその他の情報を含んでよい。このようなユーザ入力７８情報は、更に、排ガス２６（例えばガスタービンエンジン１２内でのＮＯ_x制御）及び処理済みの排ガス３６（例えば排気処理システム１４内でのＮＯ_x制御）におけるＮＯ_x削減制御に取り入れられる。ある一定の実施形態では、更に別の制約事項又は制御パラメータがオプティマイザ５８により用いられる。例えば、追加の制約事項には、環境規制、煙突３８のＣＯ排出規制又はその他の運転上の制約事項に基づく許容可能な還元剤すり抜け量が含まれる。

上述したように、オプティマイザ５８はタービンシステム１０の動作を調整してタービンシステム１０内におけるＮＯ_x削減を制御する一方で、タービンシステム１０の器材及び部品寿命を延ばす（例えば燃焼振動の低減、ＣＯの削減、希薄吹消え限界の向上等による）ように構成される。例えば、１つの実施形態では、排ガス２６におけるＮＯ_xレベルの変動をスケジュール設定（例えば事前設定）することができ、ＳＣＲシステム３０を制御して、煙突３８を介して放出される処理済みの排ガス３６において許容ＮＯ_xレベルを達成することができる。また他の実施形態においては、処理済みの排ガス３６における還元剤すり抜け量（例えば未反応還元剤）とＮＯ_xレベルとを同時に制御して、処理済みの排ガス３６における許容ＮＯ_xレベルを達成することができる。このような実施形態では、ガスタービンエンジン１２の１つ以上の動作条件を制御してガスタービンエンジン１２内のＮＯ_x制御手段を減らすことでＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの量の増加を起こさせ、以ってＳＣＲシステム３０の容量を利用して排ガス２６中のＮＯ_xレベルを許容レベルに低下させることができる。このような態様で、ガスタービンエンジン１２の水／蒸気噴射及び／又はその他のＮＯ_x削減手段を減らして、以って燃焼振動の低減及び燃焼器２０の寿命延長、希薄吹消え限界の拡大、燃焼器トリップ及び吹消えの減少、負荷ターンダウンの低減等を達成することができる。

図２は、タービンシステム制御システム４６を用いてタービンシステム１０の排出物質を制御する方法１００を示す流れ図である。段階１０２に示すように、ガスタービンエンジン１２のＮＯ_xレベル（例えばガスタービンエンジン１２から流出する排ガス２６中のＮＯ_xのレベル）の変動をスケジュール設定することができる。例えば、ガスタービンエンジン１２から排出される排ガス２６中のＮＯ_xレベルは、スケジュール設定された負荷、動作モード（例えば、始動、定常状態、運転停止、部分負荷、ターンダウン等）又はガスタービンエンジン１２の動作時間に基づいて変動する。１つの実施形態において、ガスタービンエンジン１２の第１のＮＯ_x排出レベルが第１の期間にわたって許容又は出力され、その後、ガスタービンエンジン１２から第２のＮＯ_x排出レベルが第２の期間にわたって許容又は出力される。第１及び第２の期間中、ＳＣＲシステム３０が制御されて、排ガス２６中のＮＯ_x排出量は更に処理済みの排ガス３６の許容レベルに削減される。ある一定の実施形態では、ガスタービンエンジン１２から排出されると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xレベルは、タービンシステム制御システム４６においてユーザ入力７８としてスケジュール設定又は事前設定される。理解されるように、ガスタービンエンジン制御システム５０は、１つ以上の運転システム７０（例えば燃料システム７２、給水システム７４又はその他のシステム７６）を制御して、排ガス２６においてスケジュール設定又は事前設定されたＮＯ_xレベルを達成するように構成される。ある一定の実施形態において、センサ６６はガスタービンエンジン１２から排出される排ガス２６におけるＮＯ_xレベルを測定し、タービンシステム制御システム４８はガスタービン制御装置６８にフィードバック又は命令を伝えて、スケジュール設定されたＮＯ_xレベルを達成するために１つ以上の運転システム７０が調整される。

ガスタービンエンジン１２から排出される排ガス２６のＮＯ_xレベルをスケジュール設定又は事前設定することにより、段階１０４に示すように、ＳＣＲシステム３０を動作させ又は制御（例えば排気処理制御システム４８により）して、煙突３８から放出される処理済みの排ガス３６において許容ＮＯ_xレベルを達成することができる。例えば、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xレベルに基づいて、排気処理制御システム４８は弁４４の動作を調整して、還元剤注入格子３２を通ってＳＣＲシステム３０に入る還元剤（例えばアンモニア）の量を制御することができる。特に、ＳＣＲシステム３０内に注入される還元剤の量を制御して、処理済みの排ガス３６の許容ＮＯ_xレベルを達成することができる。例えば、排気処理制御システム４８は、処理済みの排ガス３６中のＮＯ_xの測定量をセンサ６２から受け、制御装置５２が弁４４の動作を調整して、処理済みの排ガス３６中のＮＯ_xレベルを許容レベルに低下させることができるだけの十分な量の還元剤をＳＣＲシステム３０内に注入する。

図３は、タービンシステム制御システム４６を用いてタービンシステム１０の排出物質を制御する方法１２０を示す流れ図である。例えば、図に示す方法１２０を用いて、ガスタービンエンジン１２から流出すると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの量を増加させる（例えば最大限にする）一方で、タービンシステム１０から煙突３８を介して放出される処理済みの排ガス３６において許容ＮＯ_xレベルを達成することができる。第１に、段階１２２に示すように、ガスタービンエンジン１２から流出すると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値又は目標値を設定する。例えば、ガスタービンエンジン１２から流出すると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xレベルの所望値又は目標値は、オプティマイザ５８においてユーザ入力７８を介して設定される。然る後に、段階１２４に示すように、ＳＣＲシステム３０における還元剤すり抜け量の所望値又は目標値を設定する。例えば、ＳＣＲシステム３０における還元剤すり抜け量の所望値又は目標値は、オプティマイザ５８においてユーザ入力７８を介して設定される。ある一定の実施形態では、ＳＣＲシステム３０における還元剤すり抜け量の所望値又は目標値は、ある一定の規制（例えば環境規制）に基づく許容可能量又は許容量に基づいてよい。次に、段階１２６に示すように、排気処理システム１４の煙突３８から放出される処理済みの排ガス３６におけるＮＯ_xレベルの所望値又は目標値を設定する。上記と同様に、処理済みの排ガス３６中のＮＯ_xの所望値又は目標値は、オプティマイザ５８においてユーザ入力７８を介して設定される。加えて、処理済みの排ガス３６中のＮＯ_xの所望値又は目標値は、ある一定の規制（例えば環境規制）に基づく許容可能量又は許容量に基づく。

一旦上記の値が設定（例えばユーザ入力７８、プログラム又はその他の方法により）されると、段階１２８に示すように、還元剤がＳＣＲシステム３０内に注入されて、所望の還元剤すり抜け値が達成される。例えば、排気処理制御システム４８の制御装置５２は弁４４の動作を調整して、還元剤供給源４２からＳＣＲシステム３０の還元剤注入格子３２へと至る還元剤の流量を制御することができる。加えて、排気処理制御システム４８は、センサ６０から測定された還元剤すり抜け量（例えば未反応還元剤）のフィードバックを受ける。センサ６０からの測定フィードバックを用いて、制御装置５２は、更に、ＳＣＲシステム３０内への還元剤の流量を調整（例えば弁４４の動作を制御することにより）して、還元剤すり抜け量の所望値を達成することができる。更に、ある一定の実施形態では、還元剤すり抜け量は、排気処理制御システム４８のメモリ５６に記憶される１つ以上のアルゴリズムを用いて制御される。例えば、１つの実施形態において、このアルゴリズムは、その内容全体を参照によりここに援用する米国特許出願第２０１１／０１９２１４７号に記載の還元剤すり抜け量制御アルゴリズムであってよい。

その後、段階１３０に示すように、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値の調節量が判断される。例えば、少なくとも部分的に、センサ６０及び／又は６２により受けられる測定フィードバックに基づいて、ガスタービンエンジン１２から流出すると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値は大きく又は小さくなる。これに応じて、オプティマイザ５８が適切な調節量を計算する。例えば、オプティマイザ５８の計算によればＳＣＲシステム３０は余分な残余容量を有する（例えばセンサ６０により判断される測定還元剤すり抜け量に基づいて）場合は、オプティマイザ５８はＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値を大きくするべきであると判断することがある。

ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値の調節量が判断された後に、タービンシステム制御システム４６（例えばオプティマイザ５８）は、段階１３２に示すように、少なくとも１つのガスタービンエンジン１２動作パラメータの調節量を判断して、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの新たな所望値を得る。例えば、オプティマイザ５８がＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値を大きくするべきであると判断すると、ガスタービン制御装置６８はガスタービンエンジン１２の給水システム７４を操作して、燃焼器２０内への水／蒸気噴射を減少させる。その結果として、水／蒸気噴射が減少することにより、燃焼器２０における燃焼振動が低下して、以って燃焼器２０の構成要素の摩耗が減ると共に燃焼器２０の耐用寿命が延びる。オプティマイザ５８により判断される調節量に基づいてガスタービン制御装置６８により変更されるその他のガスタービンエンジン１２動作パラメータには、燃料分割の調節（例えば１つ以上の燃料ノズル及び／又は燃焼器への１つ以上の燃料流量の調節）、火炎温度、燃空比（又は同等の比）、燃料組成等が含まれる。

ガスタービンエンジン１２の１つ以上の動作パラメータの調節を行って、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの新たな所望値を達成した後に、タービンシステム制御システム４６（例えばオプティマイザ５８）は、再び段階１２８、１３０及び１３２を反復的に（例えば連続して反復的に）順次実行する。即ち、還元剤がＳＣＲシステム３０内に注入されて、センサ３０により測定される所望の還元剤すり抜け値が達成され、ＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xの所望値の調節量が判断され、ガスタービンエンジン１２に関して１つ以上の動作パラメータの調節量が判断され且つ実行される。このような態様で、ガスタービンエンジン１２とＳＣＲシステム３０との動作を調和させて（例えば同時に調和させ且つ制御して）、ガスタービンエンジン１２の全負荷又は基底負荷未満時におけるＳＣＲシステム３０の利用可能な容量の利用、燃焼器２０における燃焼振動の低減、ＣＯ排出量の削減（例えばＳＣＲシステム３０の上流のガスタービンエンジン１２におけるＮＯ_x排出量を増加させることによる）、希薄吹消え限界の拡大、ターンダウン負荷の低減等を達成することができる。

上記に詳説したように、単純サイクル重構造ガスタービンシステム又は航空エンジン転用型燃焼システムであってよいタービンシステム１０は、ガスタービンエンジン１２とＳＣＲシステム３０との動作を調整し且つ調和させて、タービンシステム１０により生成される排気（例えば煙突排気）の所望の品質を達成することができるように構成されるタービンシステム制御システム４６を含む。例えば、制御システム４６は、ＳＣＲシステム３０の利用可能なＮＯ_x削減容量を利用してＮＯ_x排出レベルを低下させるように構成されて、その他の排出制御手段を減らしてガスタービンエンジン１２の性能、効率、寿命及び／又は出力を向上させることができるようになっている。特に、ガスタービンエンジン１２が全負荷又は基底負荷で動作しておらず、ＳＣＲシステム３０が使用されていないＮＯ_x削減容量を有する場合には、ガスタービンエンジン１２の動作パラメータを調節して、ガスタービンエンジン１２により生成される排ガス２６中のＮＯ_xレベルを潜在的に増加させる一方で、燃焼器器材の機械及び熱疲労の低減、希薄吹消え限界の拡大、ターンダウン負荷の低減、その他の排気組成物（例えばＣＯ）の削減等を達成することができる。例えば、ガスタービンエンジン１２により生成されると共にＳＣＲシステム３０に流入する排ガス２６中のＮＯ_xレベルの変動を事前設定又はスケジュール設定することができる。即ち、排ガス２６中のＮＯ_xレベルを第１の期間にわたって第１のレベルに、第２の期間にわたって第２のレベルにすることができ、それに応じてＳＣＲシステム３０は処理済みの排ガス３６中のＮＯ_xレベルを更に下げることができる。加えて、ＳＣＲシステム３０とガスタービンエンジン１２との動作を同時に制御し且つ調和させてＳＣＲシステム３０の利用可能なＮＯ_x削減容量を利用することができる。

本明細書は、最良の形態を含めて、例を用いて本発明を開示すると共に、更にまた、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用と本明細書に援用されるあらゆる方法の実行とを含めて、あらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定められるとともに、当業者が想到するその他の例を含みうる。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

１６ 吸気部
１８ 圧縮機
１９ 燃料
２０ 燃焼器
２２ タービン
３８ 煙突
４２ 還元剤供給源
５２ 制御装置
５６ メモリ
５８ オプティマイザ
６８ ガスタービンエンジン制御装置
７２ 燃料システム
７４ 給水システム
７６ 運転システム
７８ ユーザ入力
１０２ ガスタービンエンジンＮＯ_xレベルの変動をスケジュール設定する
１０４ ＳＣＲを調整して、処理済みの排ガスにおいて許容ＮＯ_xレベルを達成する
１２２ ＳＣＲに流入する排ガス中のＮＯ_xの所望値を設定する
１２４ ＳＣＲにおける還元剤すり抜け量の所望値を設定する
１２６ 煙突から放出される処理済みの排ガス中のＮＯ_xの所望値を設定する
１２８ ＳＣＲ内に還元剤を注入して、還元剤すり抜け量の所望値を達成する
１３０ ＳＣＲに流入する排ガス中のＮＯ_xの所望値の調節量を判断する
１３２ 少なくとも１つのガスタービンエンジン動作パラメータを調節して、ＳＣＲに流入する排ガス中のＮＯ_xの新たな所望値を達成する

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンと、
   排気処理システムと、
   選択触媒還元（ＳＣＲ）システムと、
   制御システムと、
   を含む、システムであって、
   前記制御システムが、
   （ａ）前記ガスタービンエンジンから流出すると共に前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘレベルの所望値と、
   前記ＳＣＲシステムの還元剤すり抜け量の所望値と、
   前記排気処理システムから流出する処理済み排ガス中のＮＯｘレベルの所望値と、
   を受け取り、
   （ｂ）所望の還元剤すり抜け値を達成するために、前記ＳＣＲシステムに流入する還元剤流を制御し、
   （ｃ）前記ＳＣＲシステムの還元剤すり抜け量の測定値と、前記排気処理システムから流出する処理済み排ガスの組成物の測定値とに基づいて、前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの所望値の調整が必要な否かを判断し、必要な場合には調整量を計算し、
   （ｄ）前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの新しい所望値を得るために、前記ガスタービンエンジンの１つ以上の動作パラメータの調節量を決定し、
   （ｅ）前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの所望値を達成するために、調節された前記１つ以上の動作パラメータに基づいて、前記ガスタービンエンジンの動作を制御し、、
   （ｆ）（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を、反復的に順次実行する
   ように構成される、
   システム。
2. 前記１つ以上の動作パラメータは、前記ガスタービンエンジンの燃焼器の燃料分割、前記燃焼器の水噴射、前記燃焼器の火炎温度、前記燃焼器の空燃比、又はこれらを組み合わせたものを含む、請求項１に記載のシステム。
3. ガスタービンエンジンと、
   排気処理システムと、
   選択触媒還元（ＳＣＲ）システムと、
   前記ＳＣＲシステムおよび前記ガスタービンエンジンの動作を調整するように構成された制御システムと、
   を含むガスタービンシステムを動作させる方法であって、
   （ａ）前記ガスタービンエンジンから流出すると共に前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘレベルの所望値を設定するステップと、
   （ｂ）前記ＳＣＲシステムの還元剤すり抜け量の所望値を設定するステップと、
   （ｃ）前記排気処理システムから流出する処理済み排ガス中のＮＯｘレベルの所望値を設定するステップと、
   （ｄ）所望の還元剤すり抜け値を達成するために、前記ＳＣＲシステムに流入する還元剤流を制御するステップと、
   （ｅ）前記ＳＣＲシステムの還元剤すり抜け量の測定値と、前記排気処理システムから流出する処理済み排ガスの組成物の測定値とに基づいて、前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの所望値の調整が必要な否かを判断するステップだって、必要な場合には調整量を計算する、ステップと、
   （ｆ）前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの新しい所望値を得るために、前記ガスタービンエンジンの１つ以上の動作パラメータの調節量を決定するステップと、
   （ｇ）前記ＳＣＲシステムに流入する排ガス中のＮＯｘの所望値を達成するために、調節された前記１つ以上の動作パラメータに基づいて、前記ガスタービンエンジンの動作を制御するステップと、
   （ｈ）（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）および（ｇ）を、反復的に順次実行するステップと、
   を含む、方法。
4. ステップ（ｇ）が、
   前記ガスタービンエンジンの燃焼器内への水又は蒸気噴射を減らすステップ、および
   前記ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼燃料分割を調整するステップ、
   のうちの少なくとも一方を含む、請求項３に記載の方法。