WO2024090092A1 - 燃焼システム - Google Patents

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WO2024090092A1
WO2024090092A1 PCT/JP2023/034732 JP2023034732W WO2024090092A1 WO 2024090092 A1 WO2024090092 A1 WO 2024090092A1 JP 2023034732 W JP2023034732 W JP 2023034732W WO 2024090092 A1 WO2024090092 A1 WO 2024090092A1
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WO
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sensor
combustor
ammonia
combustion
combustion system
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/034732
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Inventor
壮一郎 加藤
慎太朗 伊藤
Original Assignee
株式会社Ihi
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    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
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    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels
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    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply

Definitions

  • Patent Document 1 discloses a gas turbine system that uses ammonia as fuel.
  • the system includes a tank of ammonia and a first combustion chamber.
  • the ammonia in the tank passes through a first mass flow separator, and a portion of the ammonia is sent directly to the first combustion chamber and the remainder is sent to a first cracking chamber.
  • the ammonia is decomposed into a hydrogen-rich gas mixture containing nitrogen, hydrogen and other components.
  • the ammonia and the hydrogen-rich gas mixture are injected into the first combustion chamber and burned. Exhaust gas from the first combustion chamber contains a high level of NOx.
  • the system also includes a second combustion chamber.
  • the exhaust gas from the first combustion chamber is guided to the second combustion chamber.
  • the ammonia in the tank passes through a second mass flow separator, and a portion of the ammonia is sent directly to the second combustion chamber and the remainder is sent to the second cracking chamber.
  • the ammonia is decomposed into a hydrogen-rich gas mixture containing nitrogen, hydrogen and other components.
  • the ammonia and hydrogen rich gas mixture is injected and combusted in a second combustion chamber where the fuel is combusted at a high equivalence ratio of 1.0 to 1.2, thereby removing NOx from the exhaust gas from the first combustion chamber.
  • combustion abnormalities such as an increase in NOx in the exhaust gas, an increase in ammonia in the exhaust gas, flashbacks, or combustion oscillations may occur. Such combustion abnormalities should be prevented.
  • the present disclosure aims to provide a combustion system that uses ammonia as fuel and can prevent combustion abnormalities.
  • a combustion system includes an ammonia supply source, a cracking device connected to the ammonia supply source and decomposing the ammonia into hydrogen and nitrogen, a combustor connected to the ammonia supply source and the cracking device and combusting ammonia from the ammonia supply source and gas containing hydrogen from the cracking device, a sensor that detects combustion abnormalities in the combustor, and a control device communicatively connected to the sensor and adjusting the amount of gas from the cracking device to the combustor based on the detection results of the sensor.
  • the sensor may include a first sensor provided in the combustor to detect combustion oscillations.
  • the sensor may include a second sensor provided in the combustor to detect flame movement.
  • the sensor may include a third sensor located downstream of the combustor to detect NOx in the exhaust gas.
  • the sensor may include a fourth sensor downstream of the combustor that detects ammonia in the exhaust gas.
  • the combustor may include multiple burners, and the control device may control the operation of the multiple burners based on the detection results of the sensor.
  • combustion abnormalities can be prevented.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a gas turbine system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the combustor in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the operation of the gas turbine system of FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart continuing from FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart continuing from FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart continuing from FIG.
  • FIG. 7 is a flowchart continuing from FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the gas turbine system according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic graph showing the relationship between the ammonia decomposition rate and each parameter.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a gas turbine system 100 according to a first embodiment.
  • the gas turbine system 100 functions as a combustion system.
  • the gas turbine system 100 may also be simply referred to as "system 100."
  • the system 100 includes a tank (ammonia supply source) 1, a pressurizer 2, a cracking device 3, a gas turbine 4, a generator 5, and a control device 90.
  • the system 100 may further include other components. Also, the system 100 may not include one or more of the above components.
  • Tank 1 stores ammonia. Specifically, tank 1 stores liquid ammonia. Tank 1 is connected to pressurizer 2 by pipe P1. The liquid ammonia stored in tank 1 is supplied to pressurizer 2 via pipe P1. In other embodiments, for example, an ammonia production device may be used as an ammonia supply source instead of tank 1.
  • the pressurizer 2 pressurizes the ammonia from the tank 1.
  • the pressurizer 2 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the pressurizer 2 is connected to a pipe P2.
  • the pressurized ammonia flows from the pressurizer 2 to the pipe P2.
  • ammonia is supplied in a liquid state to the cracking device 3 and the gas turbine 4.
  • the pressurizer 2 may be a pump, for example.
  • the system 100 may include a vaporizer in the pipe P1 or the pipe P2, and the ammonia may be supplied in a gaseous state to the cracking device 3 and the gas turbine 4.
  • the pressurizer 2 may be a compressor, for example.
  • Pipe P2 is provided with a valve V1.
  • Valve V1 is connected to a control device 90 via wired or wireless communication and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of ammonia flowing through pipe P2 by controlling the opening of valve V1 based on the power demand and the amount of power generated by the generator 5.
  • Pipe P2 branches into pipes P21 and P22. Pipe P21 is connected to the cracking device 3, and pipe P22 is connected to the gas turbine 4.
  • pipe P22 may be branched into multiple pipes P22 in the gas turbine 4 so as to be connected to multiple burners 45 (see FIG. 2) described later.
  • valve V2 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with it via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening degree of valve V2 based on the detection results of at least one of the first sensor Se1, second sensor Se2, third sensor Se3, and fourth sensor Se4 described below.
  • the cracking device 3 decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen.
  • the cracking device 3 includes a catalyst that decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen.
  • a catalyst includes, for example, at least one of Ru, Rh, Pt, and Pd.
  • the cracking device 3 is connected to the gas turbine 4 by a pipe P23.
  • Gas containing hydrogen and nitrogen (which may also be referred to as "hydrogen-rich gas" in this disclosure) is supplied from the cracking device 3 to the gas turbine 4 via the pipe P23.
  • the pipe P23 may be branched into multiple pipes P23 in the gas turbine 4 so as to be connected to multiple burners 45 (see FIG. 2).
  • the gas turbine 4 includes a compressor 41, a combustor 42, and a turbine 43.
  • the gas turbine 4 may further include other components.
  • the compressor 41 compresses air and sends the compressed air to the combustor 42.
  • the combustor 42 is fluidly connected to the tank 1 via the above-mentioned piping P1, P2, and P22.
  • the combustor 42 receives ammonia from the tank 1.
  • the combustor 42 is also fluidly connected to the cracking device 3 via the above-mentioned piping P23.
  • the combustor 42 receives hydrogen-rich gas from the cracking device 3.
  • the combustor 42 combusts ammonia and hydrogen-rich gas.
  • the combustor 42 may also combust other fuels depending on the situation.
  • the combustor 42 includes a casing 44 that defines a chamber C and a plurality of burners 45.
  • the combustor 42 may further include other components such as a liner.
  • Each burner 45 is positioned to face the chamber C.
  • the multiple burners 45 may be arranged in any pattern, such as a circular ring, a matrix, or a polygonal shape.
  • Each burner 45 is connected to the above-mentioned pipe P22.
  • Ammonia is provided from the tank 1 to each burner 45 via the pipe P22.
  • a valve V3 is provided in each pipe P22.
  • the valve V3 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with the control device 90 via wired or wireless communication, and is controlled by the control device 90.
  • the control device 90 adjusts the flow rate of ammonia supplied to the corresponding burner 45 by controlling the opening degree of the valve V3 based on the detection results of at least one of the first sensor Se1, the second sensor Se2, the third sensor Se3, and the fourth sensor Se4.
  • Each burner 45 is connected to the above-mentioned pipe P23. Hydrogen-rich gas is provided to each burner 45 from the cracking device 3 via the pipe P23. A valve V4 is provided in each pipe P23. The valve V4 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with the control device 90 via wire or wirelessly, and is controlled by the control device 90. For example, the control device 90 adjusts the flow rate of hydrogen-rich gas supplied to the corresponding burner 45 by controlling the opening degree of the valve V4 based on the detection results of at least one of the first sensor Se1, the second sensor Se2, the third sensor Se3, and the fourth sensor Se4.
  • Each burner 45 is connected to a pipe P24. Compressed air from the compressor 41 is provided to each burner 45 via the pipe P24.
  • chamber C a mixture of ammonia and hydrogen-rich gas is combusted.
  • exhaust gas generated by the combustion is supplied from combustor 42 to turbine 43.
  • Turbine 43 is rotated by the exhaust gas.
  • the rotational force of turbine 43 is used to operate generator 5.
  • the rotational force of turbine 43 may be used in other devices.
  • a pipe P3 is connected to the turbine 43.
  • the exhaust gas is supplied from the turbine 43 through the pipe P3 to other equipment (not shown) located downstream of the turbine 43, such as a heat recovery boiler and a denitrification device.
  • the combustion rate of ammonia is slow. Therefore, when only ammonia is burned in chamber C, the combustion in chamber C tends to become unstable. However, in this embodiment, a portion of the ammonia from tank 1 is decomposed into hydrogen and nitrogen in cracking device 3 and then supplied to combustor 42. Because hydrogen has a fast combustion rate, combustion in chamber C is stable and the amount of combustible ammonia is increased. Therefore, the amount of ammonia remaining in the exhaust gas from combustor 42 due to various factors (e.g., unreacted ammonia in cracking device 3 and unburned ammonia in combustor 42) is reduced. As a result, for example, the operating costs of the denitrification device are reduced.
  • a portion of the ammonia from the tank 1 is decomposed into hydrogen and nitrogen in the cracking device 3 and then supplied to the chamber C.
  • the nitrogen atoms N are bonded to nitrogen molecules N2 in an environment in which there are no or few oxygen atoms O in the section from the cracking device 3 to the combustor 42.
  • the nitrogen molecules N2 are stable and are less likely to bond with oxygen atoms O than the nitrogen atoms N. Therefore, the generation of NOx, particularly fuel NOx, is suppressed.
  • the amount of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the multiple burners 45 are adjusted to suppress combustion abnormalities such as flashback, combustion oscillations, increases in NOx in the exhaust gas, and increases in ammonia in the exhaust gas.
  • the system 100 includes a sensor Se configured to detect a combustion abnormality in the combustor 42.
  • the sensor Se includes a first sensor Se1, a second sensor Se2, a third sensor Se3, and a fourth sensor Se4.
  • the sensor Se may not include some of the first sensor Se1, the second sensor Se2, the third sensor Se3, and the fourth sensor Se4.
  • the first sensor Se1 is provided in the combustor 42.
  • the first sensor Se1 is configured to detect combustion oscillations in the chamber C.
  • the first sensor Se1 can be attached to the wall surface of the casing 44 or the liner.
  • the first sensor Se1 may be a pressure sensor.
  • the first sensor Se1 is communicatively connected to the control device 90 via wire or wirelessly, and transmits detection data to the control device 90.
  • the control device 90 can detect the combustion oscillations by detecting pressure fluctuations in the chamber C.
  • the second sensor Se2 is provided in the combustor 42.
  • the second sensor Se2 is configured to detect the movement of the flame in the chamber C.
  • the second sensor Se2 is configured to detect the movement of the flame to a position upstream of the intended position in the chamber C.
  • the second sensor Se2 may include a temperature sensor provided around the nozzle of each burner 45.
  • the second sensor Se2 is communicatively connected to the control device 90 by wire or wirelessly, and transmits detection data to the control device 90.
  • the control device 90 can detect the approach of the flame to the corresponding burner 45 by detecting a temperature increase around the nozzle of the burner 45.
  • the second sensor Se2 may be an optical sensor capable of detecting a flame.
  • the third sensor Se3 is provided in the pipe P3.
  • the third sensor Se3 may be provided at another position downstream of the combustor 42.
  • the third sensor Se3 may be a NOx sensor that detects the concentration of NOx in the exhaust gas.
  • the third sensor Se3 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with the control device 90 via wire or wirelessly, and transmits detection data to the control device 90.
  • the fourth sensor Se4 is provided in the pipe P3. In other embodiments, the fourth sensor Se4 may be provided at another position downstream of the combustor 42.
  • the fourth sensor Se4 may be an ammonia sensor that detects the concentration of ammonia in the exhaust gas.
  • the fourth sensor Se4 is connected to the control device 90 so as to be able to communicate with the control device 90 via wire or wirelessly, and transmits detection data to the control device 90.
  • the control device 90 controls the whole or part of the system 100.
  • the control device 90 may be composed of one or more PCs.
  • the control device 90 includes components such as a processor 90a, a storage device 90b, and a connector 90c, and these components are connected to each other via a bus.
  • the processor 90a includes a CPU (Central Processing Unit), etc.
  • the storage device 90b includes a hard disk, a ROM in which programs and the like are stored, and a RAM as a work area, etc.
  • the control device 90 is connected to each component of the system 100 via the connector 90c so as to be able to communicate with each component via a wired or wireless connection.
  • control device 90 may further include other components such as a display device such as a liquid crystal display or a touch panel, and an input device such as a keyboard, buttons, or a touch panel.
  • a display device such as a liquid crystal display or a touch panel
  • an input device such as a keyboard, buttons, or a touch panel.
  • the following operations of the control device 90 may be realized by the processor 90a executing a program stored in the storage device 90b.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the gas turbine system 100 of FIG. 1.
  • FIGS. 4 to 7 are flowcharts that follow FIG. 3. For example, the operations shown in FIGS. 3 to 7 may be repeated at predetermined intervals while the gas turbine system 100 is operating.
  • the processor 90a of the control device 90 determines whether the temperature detected by each second sensor Se2 is less than a predetermined limit value (step S100).
  • the temperature limit value may be determined by experiment or analysis as the maximum value within chamber C at which a flame is permitted to approach each burner 45, and may be stored in the storage device 90b.
  • step S100 may determine whether the position of the flame detected by the second sensor Se2 is within a predetermined range.
  • the predetermined range may be determined by experiment or analysis as the range within chamber C within which a flame is permitted to exist, and may be stored in the storage device 90b.
  • step S100 If the temperature detected by each second sensor Se2 is less than the limit value (YES) in step S100, the processor 90a proceeds to step S102.
  • step S100 if the temperature detected by any of the second sensors Se2 is equal to or greater than the limit value (NO), the processor 90a proceeds to the operation shown in FIG. 4 (A).
  • the processor 90a adjusts at least one of the flow rate of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the burner 45 (step S200).
  • the processor 90a may reduce the amount of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening of the valve V2. In this case, the amount of hydrogen-rich gas produced in the cracking device 3 is reduced. Thus, the amount of hydrogen supplied from the cracking device 3 to the combustor 42 is reduced, and the combustion rate in the chamber C is reduced. Thus, the flame moves downstream and away from the burner 45. As a result, flashback is prevented.
  • the processor 90a may adjust the operation of at least one of the plurality of burners 45.
  • the processor 90a may open valves V3 and V4 of an unused burner 45 among the plurality of burners 45 and start using this burner 45. That is, a part of the fuel supplied to the burner 45 in use is allocated to the unused burner 45.
  • the amount of hydrogen supplied to the burner 45 corresponding to the second sensor Se2 that detected a temperature equal to or higher than the limit value is reduced, and the combustion speed around this burner 45 decreases. Therefore, the flame moves downstream and away from the corresponding burner 45. As a result, flashback is prevented.
  • the processor 90a again determines whether the temperature detected by each second sensor Se2 is less than the limit value (step S202).
  • step S202 if the temperature detected by each second sensor Se2 is less than the limit value (YES), the processor 90a proceeds to step S102 in FIG. 3 (E).
  • step S202 if the temperature detected by any of the second sensors Se2 is equal to or greater than the limit value (NO), the processor 90a repeats the operation shown in FIG. 4.
  • the processor 90a determines whether the pressure fluctuation detected by the first sensor Se1 is smaller than a predetermined limit value (step S102).
  • the pressure fluctuation may be calculated in various ways.
  • the pressure fluctuation may be calculated as the difference between the maximum and minimum pressure values in a predetermined period of time.
  • the pressure fluctuation is not limited to this, and may be calculated in various other ways.
  • the limit value of the pressure fluctuation may be determined by experiment or analysis as the maximum value of the allowable combustion oscillation, and may be stored in the storage device 90b.
  • step S102 If the pressure fluctuation is less than the limit value (YES) in step S102, the processor 90a proceeds to step S104.
  • step S102 If, in step S102, the pressure fluctuation is greater than or equal to the limit value (NO), the processor 90a proceeds to the operation shown in FIG. 5 (B).
  • the processor 90a adjusts at least one of the flow rate of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the burner 45 (step S300).
  • the processor 90a may adjust the amount of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening of the valve V2.
  • the amount of hydrogen-rich gas generated in the cracking device 3 changes. Therefore, the amount of hydrogen supplied from the cracking device 3 to the combustor 42 changes, and the combustion speed in the chamber C also changes. As a result, the combustion state in the chamber C changes, and the pressure state also changes. This also stabilizes the injection of fuel from the burner 45 into the chamber C. This prevents combustion oscillations.
  • the processor 90a may adjust the operation of at least one of the multiple burners 45.
  • the processor 90a may open valves V3 and V4 of an unused burner 45 among the multiple burners 45 and start using this burner 45.
  • a part of the fuel supplied to the burner 45 in use is allocated to the unused burner 45.
  • the amount of hydrogen supplied to one burner 45 is reduced, and combustion around the burner 45 in use is reduced.
  • the pressure around the burner 45 in use is stabilized, and the injection of fuel from the burner 45 into the chamber C is also stabilized. This prevents combustion oscillation.
  • the processor 90a again determines whether the pressure fluctuation is smaller than the limit value (step S302).
  • step S302 If the pressure fluctuation is less than the limit value in step S302 (YES), the processor 90a proceeds to step S104 in FIG. 3 (F).
  • step S302 the processor 90a repeats the operation shown in FIG. 5.
  • the processor 90a determines whether the concentration of ammonia detected by the fourth sensor Se4 is less than a predetermined limit value (step S104).
  • the limit value of ammonia may be determined based on laws and regulations and may be stored in the storage device 90b.
  • step S104 If the ammonia concentration is less than the limit value (YES) in step S104, the processor 90a proceeds to step S106.
  • step S104 If, in step S104, the ammonia concentration is equal to or greater than the limit value (NO), the processor 90a proceeds to the operation shown in FIG. 6 (C).
  • the processor 90a adjusts at least one of the flow rate of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the burner 45 (step S400).
  • the processor 90a may increase the amount of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening of the valve V2.
  • the amount of hydrogen-rich gas generated in the cracking device 3 increases. Therefore, the amount of hydrogen supplied from the cracking device 3 to the combustor 42 increases, and combustion in the chamber C becomes stable. As a result, the amount of combustible ammonia also increases. This reduces the ammonia in the exhaust gas.
  • the processor 90a may adjust the operation of at least one of the multiple burners 45.
  • the processor 90a may close valves V3 and V4 of some of the burners 45 that are in use to stop the use of these burners 45.
  • the fuel supplied to some of the burners 45 that are in use is allocated to other burners 45 that are in use.
  • the amount of hydrogen supplied to one burner 45 increases, and the combustion around the burner 45 that is in use becomes stable.
  • the amount of combustible ammonia also increases. This reduces ammonia in the exhaust gas.
  • the processor 90a again determines whether the ammonia concentration is less than the limit value (step S402).
  • step S402 If the ammonia concentration is less than the limit value (YES) in step S402, the processor 90a proceeds to step S106 in FIG. 3 (G).
  • step S402 If the ammonia concentration is equal to or greater than the limit value (NO) in step S402, the processor 90a repeats the operation shown in FIG. 6.
  • the processor 90a determines whether the concentration of NOx detected by the third sensor Se3 is smaller than a predetermined limit value (step S106).
  • the limit value of NOx may be determined based on laws and regulations, and may be stored in the storage device 90b.
  • step S106 the processor 90a ends the series of operations.
  • step S106 If, in step S106, the NOx concentration is equal to or greater than the limit value (NO), the processor 90a proceeds to the operation shown in FIG. 7 (D).
  • the processor 90a adjusts at least one of the flow rate of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the burner 45 (step S500).
  • the processor 90a may increase the amount of ammonia supplied to the cracking device 3 by controlling the opening degree of the valve V2. In this case, the ratio of ammonia decomposed in the cracking device 3 to the total ammonia from the tank 1 increases. In this case, more nitrogen atoms N of ammonia are bonded to nitrogen molecules N 2 in an environment in which there are no or few oxygen atoms O in the section from the cracking device 3 to the combustor 42.
  • the nitrogen molecules N 2 are stable and are less likely to bond with oxygen atoms O than the nitrogen atoms N in the ammonia molecules directly supplied to the combustor 42. Therefore, the generation of NOx, especially the generation of fuel NOx, is suppressed.
  • the processor 90a may adjust the operation of at least one of the multiple burners 45.
  • the processor 90a may open valves V3 and V4 of an unused burner 45 among the multiple burners 45 and start using this burner 45.
  • a portion of the fuel supplied to the burner 45 in use is allocated to the unused burner 45.
  • the amount of fuel supplied to one burner 45 is reduced, and the combustion temperature around the burner 45 in use is lowered.
  • the generation of NOx, particularly thermal NOx, around the burner 45 in use is suppressed.
  • the processor 90a again determines whether the NOx concentration is less than the limit value (step S502).
  • step S502 the processor 90a ends the series of operations (H).
  • step S502 If, in step S502, the NOx concentration is equal to or greater than the limit value (NO), the processor 90a repeats the operation shown in FIG. 7.
  • the system 100 as described above includes a tank 1 for storing ammonia, a cracking device 3 connected to the tank 1 and for decomposing the ammonia into hydrogen and nitrogen, a combustor 42 fluidly connected to the tank 1 and the cracking device 3 for combusting the ammonia from the tank 1 and the hydrogen-rich gas from the cracking device 3, a sensor Se for detecting combustion abnormalities in the combustor (backfire, combustion oscillation, increase in NOx in the exhaust gas, and increase in ammonia in the exhaust gas), and a control device 90 communicatively connected to the sensor Se for adjusting the amount of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 based on the detection result of the sensor Se.
  • a sensor Se for detecting combustion abnormalities in the combustor (backfire, combustion oscillation, increase in NOx in the exhaust gas, and increase in ammonia in the exhaust gas)
  • a control device 90 communicatively connected to the sensor Se for adjusting the amount of hydrogen-rich gas from the
  • the sensor Se includes a first sensor Se1 that is provided in the combustor 42 and detects combustion oscillations. With this configuration, it is possible to prevent combustion oscillations in the combustor 42.
  • the sensor Se includes a second sensor Se2 that is provided in the combustor 42 and detects the movement of the flame. With this configuration, flashback in the combustor 42 can be prevented.
  • the sensor Se includes a third sensor Se3 that detects NOx in the exhaust gas at a position downstream of the combustor 42. With this configuration, it is possible to prevent an increase in NOx in the exhaust gas.
  • the sensor Se includes a fourth sensor Se4 that detects ammonia in the exhaust gas at a position downstream of the combustor 42. With this configuration, it is possible to prevent an increase in ammonia in the exhaust gas.
  • the combustor 42 includes multiple burners 45, and the control device 90 controls the operation of the multiple burners 45 based on the detection results of the sensor Se.
  • the speed and size of the combustion in the chamber C can be controlled in more detail. Therefore, combustion abnormalities can be further prevented.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the gas turbine system 100 according to the second embodiment.
  • the system 100 according to the second embodiment differs from the system 100 according to the first embodiment in that the processor 90a further executes steps S108, S110, and S112.
  • the system 100 according to the second embodiment may be the same as the system 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic graph showing the relationship between the ammonia decomposition rate and each parameter.
  • the horizontal axis shows the ratio of ammonia decomposed in the cracking device 3 to the total ammonia from the tank 1.
  • the horizontal axis also corresponds to the amount of hydrogen supplied from the cracking device 3 to the combustor 42.
  • the solid line shows the possibility of flashback. Also, since the possibility of flashback is proportional to the temperature of a part that is low during normal operation but becomes high when a flashback occurs or when a flame moving upstream approaches, the solid line also corresponds to the temperature of such a part.
  • the dashed line shows the concentration of NOx and the concentration of ammonia in the exhaust gas. Also, since the operating cost of the denitration device is proportional to the concentration of ammonia in the exhaust gas, the dashed line also corresponds to the operating cost of the denitration device.
  • the dashed line shows the amount of energy required for the decomposition of ammonia in the cracking device 3. Since the decomposition of ammonia is an endothermic reaction, energy is required. Furthermore, when energy is obtained from outside the system 100, the operating cost of the cracking device 3 is proportional to the amount of energy. Therefore, the dashed dotted line also corresponds to the operating cost of the cracking device 3.
  • control device 90 may control the ammonia decomposition rate so that at least one cost parameter in the system 100 is maintained lower in the range where flashback does not occur. Note that the parameters taken into account in the control device 90 are not limited to those shown in FIG. 9, and the control device 90 may be configured to further take other parameters into account.
  • the processor 90a calculates the operating costs of the cracking device 3 and the denitration device (not shown) after the operations shown in FIGS. 3 to 7 (step S108). As described above, for example, these operating costs may be calculated based on the ammonia decomposition rate (or the amount of ammonia decomposed).
  • the processor 90a determines whether the current total operating cost is less than or equal to the previous total operating cost (step S110).
  • the previous operating cost may be stored in the storage device 90b.
  • step S110 if the current total operating cost is less than or equal to the previous total operating cost (YES), the processor 90a ends the series of operations.
  • step S110 If, in step S110, the current total operating cost is higher than the previous total operating cost (NO), the processor 90a adjusts at least one of the flow rate of hydrogen-rich gas from the cracking device 3 to the combustor 42 and the operation of the burner 45 so as to reduce the total operating cost (step S112), and ends the series of operations.
  • the system 100 according to the second embodiment as described above has the same effects as the system 100 according to the first embodiment.
  • the second embodiment allows for consideration of the operating costs of the system 100.
  • the gas turbine system 100 functions as the combustion system.
  • the combustion system may be applied to other systems that use ammonia as fuel.
  • the combustion system may be applied to a steam turbine system.
  • the steam turbine system may include a boiler that burns ammonia and a steam turbine that is operated by steam generated in the boiler.
  • the combustion system includes a combustor for the boiler instead of the combustor 42 of the gas turbine 4 described above.
  • the present disclosure can promote the use of ammonia leading to reduced CO2 emissions, and can therefore contribute, for example, to Sustainable Development Goal (SDG) Goal 7 "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy.”
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Abstract

  燃焼システム（１００）は、アンモニア供給源（１）と、アンモニア供給源（１）に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置（３）と、アンモニア供給源（１）およびクラッキング装置（３）に接続され、アンモニア供給源（１）からのアンモニアと、クラッキング装置（３）からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器（４２）と、燃焼器（４２）における燃焼異常を検出するセンサ（Ｓｅ）と、センサ（Ｓｅ）に通信可能に接続され、センサ（Ｓｅ）の検出結果に基づいてクラッキング装置（３）から燃焼器（４２）へのガスの量を調整する制御装置（９０）と、を備える。

Description

燃焼システム
　本開示は、燃焼システムに関する。本出願は２０２２年１０月２８日に提出された日本特許出願第２０２２－１７３３３８号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
　アンモニアは、ＣＯ２を放出しない燃料として知られている。例えば、特許文献１は、アンモニアを燃料として使用するガスタービンシステムを開示する。このシステムは、アンモニアのタンクと、第一の燃焼チャンバと、を備える。タンク内のアンモニアは、第一の質量流量分離器を通り、一部が第一の燃焼チャンバに直接的に送られ、残りが第一のクラッキングチャンバに送られる。第一のクラッキングチャンバでは、アンモニアが、窒素、水素およびその他の成分を含有する水素リッチガス混合物へと分解される。アンモニアおよび水素リッチガス混合物は、第一の燃焼チャンバ内に噴射され、燃焼される。第一の燃焼チャンバからの排ガスは、高水準のＮＯｘを含む。また、このシステムは、第二の燃焼チャンバを備える。第一の燃焼チャンバからの排ガスは、第二の燃焼チャンバに誘導される。タンク内のアンモニアは、第二の質量流量分離器を通り、一部が第二の燃焼チャンバに直接的に送られ、残りが第二のクラッキングチャンバに送られる。第二のクラッキングチャンバでは、アンモニアが、窒素、水素およびその他の成分を含有する水素リッチガス混合物へと分解される。アンモニアおよび水素リッチガス混合物は、第二の燃焼チャンバ内に噴射され、燃焼される。第二の燃焼チャンバでは、燃料は１．０～１．２の高い当量比で燃焼される。これによって、第一の燃焼チャンバからの排ガスからＮＯｘが除去される。
特表２０１８－５３５３５５号公報
　アンモニアを使用する燃焼システムでは、排気ガス中のＮＯｘの増加、排気ガス中のアンモニアの増加、逆火または燃焼振動等の燃焼異常が生じ得る。このような燃焼異常は防止されるべきである。
　本開示は、燃焼異常を防止することができる、アンモニアを燃料として使用する燃焼システムを提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る燃焼システムは、アンモニア供給源と、アンモニア供給源に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置と、アンモニア供給源およびクラッキング装置に接続され、アンモニア供給源からのアンモニアと、クラッキング装置からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器と、燃焼器における燃焼異常を検出するセンサと、センサに通信可能に接続され、センサの検出結果に基づいてクラッキング装置から燃焼器へのガスの量を調整する制御装置と、を備える。
　センサは、燃焼器に設けられ、燃焼振動を検出する第１センサを含んでもよい。
　センサは、燃焼器に設けられ、火炎の移動を検出する第２センサを含んでもよい。
　センサは、燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のＮＯｘを検出する第３センサを含んでもよい。
　センサは、燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサを含んでもよい。
　燃焼器は、複数のバーナを含んでもよく、制御装置は、センサの検出結果に基づいて複数のバーナの動作を制御してもよい。
　本開示によれば、燃焼異常を防止することができる。
図１は、第１実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略図である。 図２は、図１中の燃焼器を示す概略図である。 図３は、図１のガスタービンシステムの動作を示すフローチャートである。 図４は、図３に続くフローチャートである。 図５は、図３に続くフローチャートである。 図６は、図３に続くフローチャートである。 図７は、図３に続くフローチャートである。 図８は、第２実施形態に係るガスタービンシステムの動作を示すフローチャートである。 図９は、アンモニア分解率および各パラメータの間の関係を示す概略的なグラフである。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
　図１は、第１実施形態に係るガスタービンシステム１００を示す概略図である。本実施形態では、ガスタービンシステム１００が燃焼システムとして機能する。本開示において、ガスタービンシステム１００は、単に「システム１００」とも称され得る。例えば、システム１００は、タンク（アンモニア供給源）１と、加圧器２と、クラッキング装置３と、ガスタービン４と、発電機５と、制御装置９０と、を備える。システム１００は、他の構成要素をさらに備えてもよい。また、システム１００は、上記の構成要素のうちの１つまたは複数を備えてなくてもよい。
　タンク１は、アンモニアを貯蔵する。具体的には、タンク１は、液体のアンモニアを貯蔵する。タンク１は、配管Ｐ１によって加圧器２に接続される。タンク１に貯蔵される液体アンモニアは、配管Ｐ１を介して加圧器２に供給される。他の実施形態では、例えば、タンク１に代えて、アンモニア製造装置がアンモニア供給源として用いられてもよい。
　加圧器２は、タンク１からのアンモニアを加圧する。加圧器２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。加圧器２には、配管Ｐ２が接続される。加圧されたアンモニアは、加圧器２から配管Ｐ２へ流れる。
　本実施形態では、アンモニアは、クラッキング装置３およびガスタービン４に液体状態で供給される。この場合、例えば、加圧器２は、ポンプであってもよい。他の実施形態では、例えば、システム１００は、配管Ｐ１または配管Ｐ２に気化器を備えてもよく、アンモニアは、クラッキング装置３およびガスタービン４に気体状態で供給されてもよい。加圧器２が気体アンモニアを加圧する場合には、例えば、加圧器２は、コンプレッサであってもよい。
　配管Ｐ２には、バルブＶ１が設けられる。バルブＶ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。例えば、制御装置９０は、電力需要および発電機５における発電量に基づいて、バルブＶ１の開度を制御することによって、配管Ｐ２を流れるアンモニアの流量を調整する。配管Ｐ２は、配管Ｐ２１および配管Ｐ２２に分岐される。配管Ｐ２１はクラッキング装置３に接続され、配管Ｐ２２はガスタービン４に接続される。
　加圧されたアンモニアの少なくとも一部は、配管Ｐ２２を介してガスタービン４へ供給される。なお、図１には示されないが、配管Ｐ２２は、後述する複数のバーナ４５（図２参照）に接続されるように、ガスタービン４において複数の配管Ｐ２２に分岐されてもよい。
　加圧されたアンモニアの残りは、配管Ｐ２１を介してクラッキング装置３へ供給される。配管Ｐ２１には、バルブＶ２が設けられる。バルブＶ２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。例えば、制御装置９０は、後述する第１センサＳｅ１、第２センサＳｅ２、第３センサＳｅ３および第４センサＳｅ４の少なくとも１つの検出結果に基づいて、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３へ供給されるアンモニアの流量を調整する。
　クラッキング装置３は、アンモニアを水素および窒素へと分解する。クラッキング装置３は、アンモニアを水素および窒素へと分解する触媒を含む。このような触媒は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄの少なくとも１つを含む。クラッキング装置３は、配管Ｐ２３によってガスタービン４に接続される。水素および窒素を含むガス（本開示において、「水素リッチガス」とも称され得る）は、クラッキング装置３から配管Ｐ２３を介してガスタービン４へ供給される。なお、図１には示されないが、配管Ｐ２３は、複数のバーナ４５（図２参照）に接続されるように、ガスタービン４において複数の配管Ｐ２３に分岐されてもよい。
　図１を参照して、ガスタービン４は、コンプレッサ４１と、燃焼器４２と、タービン４３と、を含む。ガスタービン４は、他の構成要素をさらに備えてもよい。コンプレッサ４１は、空気を加圧し、加圧された空気を燃焼器４２に送る。
　燃焼器４２は、上記の配管Ｐ１，Ｐ２，Ｐ２２を介してタンク１に流体的に接続される。燃焼器４２は、タンク１からのアンモニアを受け入れる。また、燃焼器４２は、上記の配管Ｐ２３を介してクラッキング装置３に流体的に接続される。燃焼器４２は、クラッキング装置３からの水素リッチガスを受け入れる。本実施形態では、燃焼器４２は、アンモニアおよび水素リッチガスを燃焼する。燃焼器４２は、状況に応じて他の燃料を燃焼してもよい。
　図２は、図１中の燃焼器４２を示す概略図である。燃焼器４２は、チャンバＣを画定するケーシング４４と、複数のバーナ４５と、を含む。燃焼器４２は、ライナ等の他の構成要素をさらに含んでもよい。
　各バーナ４５は、チャンバＣに対向するように配置される。複数のバーナ４５は、例えば、円環状、マトリクス状、または、多角形状等の任意のパターンに配置されてもよい。
　各バーナ４５は、上記の配管Ｐ２２に接続される。各バーナ４５には、配管Ｐ２２を介してタンク１からのアンモニアが提供される。各配管Ｐ２２には、バルブＶ３が設けられる。バルブＶ３は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。例えば、制御装置９０は、第１センサＳｅ１、第２センサＳｅ２、第３センサＳｅ３および第４センサＳｅ４の少なくとも１つの検出結果に基づいて、バルブＶ３の開度を制御することによって、対応するバーナ４５へ供給されるアンモニアの流量を調整する。
　各バーナ４５は、上記の配管Ｐ２３に接続される。各バーナ４５には、配管Ｐ２３を介してクラッキング装置３からの水素リッチガスが提供される。各配管Ｐ２３には、バルブＶ４が設けられる。バルブＶ４は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、制御装置９０によって制御される。例えば、制御装置９０は、第１センサＳｅ１、第２センサＳｅ２、第３センサＳｅ３および第４センサＳｅ４の少なくとも１つの検出結果に基づいて、バルブＶ４の開度を制御することによって、対応するバーナ４５へ供給される水素リッチガスの流量を調整する。
　各バーナ４５は、配管Ｐ２４に接続される。各バーナ４５には、配管Ｐ２４を介して、コンプレッサ４１からの圧縮された空気が提供される。
　チャンバＣでは、アンモニアおよび水素リッチガスの混合ガスが燃焼される。図１を参照して、燃焼により生じた排気ガスは、燃焼器４２からタービン４３に供給される。タービン４３は、排気ガスによって回転される。本実施形態では、タービン４３の回転力は、発電機５の運転に使用される。他の実施形態では、タービン４３の回転力は、他の装置で使用されてもよい。
　タービン４３には、配管Ｐ３が接続される。排気ガスは、タービン４３から配管Ｐ３によって、タービン４３の下流に位置する不図示の他の設備、例えば排熱回収ボイラおよび脱硝装置等に供給される。
　一般的に、アンモニアの燃焼速度は遅い。したがって、チャンバＣでアンモニアのみが燃焼される場合、チャンバＣにおける燃焼は不安定になり易い。しかしながら、本実施形態では、タンク１からのアンモニアの一部が、クラッキング装置３において水素および窒素に分解されてから、燃焼器４２に供給される。水素の燃焼速度は速いことから、チャンバＣにおける燃焼が安定し、燃焼可能なアンモニアの量も増加する。したがって、様々な要因で燃焼器４２からの排気ガス中に残留するアンモニア（例えば、クラッキング装置３における未反応のアンモニア、および、燃焼器４２における未燃のアンモニア）が低減される。その結果、例えば、脱硝装置の運転コストが低減される。
　また、上記のように、本実施形態では、タンク１からのアンモニアの一部が、クラッキング装置３において水素および窒素に分解されてから、チャンバＣに供給される。この場合、窒素原子Ｎは、クラッキング装置３から燃焼器４２までの区間に、酸素原子Ｏが無いまたは少ない環境において、窒素分子Ｎ２へと結合する。窒素分子Ｎ２は安定的であり、窒素原子Ｎに比べて、酸素原子Ｏと結合し難い。したがって、ＮＯｘの生成、特にフューエルＮＯｘの生成が抑制される。
　しかしながら、上記のように、水素の燃焼速度は速い。したがって、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの量が増加する場合、チャンバＣ内において燃焼速度が増加し、意図した位置よりも上流の位置に火炎が移動しやすい。このため、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの過度の増加は、逆火に繋がり得る。
　また、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの量が増加する場合、水素の燃焼速度が速いことから、チャンバＣ内の燃焼が拡大される。したがって、チャンバＣの内部圧力が増加する。この場合、バーナ４５からの燃料は、高い内部圧力を押し返さなければならず、噴射され難くなる。その結果、チャンバＣ内への噴射燃料の量が低減し、燃焼が小さくなる。したがって、チャンバＣの内部圧力が減少する。その結果、チャンバＣ内では、内部圧力の増加と減少とが交互に繰り返される。このように、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの過度の増加は、燃焼振動に繋がり得る。
　本実施形態では、詳しくは後述するように、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの量、および、複数のバーナ４５の動作を調整することによって、逆火、燃焼振動、排気ガス中のＮＯｘの増加、および、排気ガス中のアンモニアの増加といった燃焼異常が抑制される。
　システム１００は、燃焼器４２における燃焼異常を検出するように構成されるセンサＳｅを備える。具体的には、センサＳｅは、第１センサＳｅ１、第２センサＳｅ２、第３センサＳｅ３、および、第４センサＳｅ４を含む。他の実施形態では、センサＳｅは、第１センサＳｅ１、第２センサＳｅ２、第３センサＳｅ３、および、第４センサＳｅ４の一部を含まなくてもよい。
　図２を参照して、第１センサＳｅ１は、燃焼器４２に設けられる。第１センサＳｅ１は、チャンバＣ内における燃焼振動を検出するように構成される。例えば、第１センサＳｅ１は、ケーシング４４またはライナの壁面に取り付けられることができる。例えば、第１センサＳｅ１は、圧力センサであってもよい。第１センサＳｅ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、検出データを制御装置９０に送信する。制御装置９０は、チャンバＣ内の圧力変動を検出することによって、燃焼振動を検出することができる。
　第２センサＳｅ２は、燃焼器４２に設けられる。第２センサＳｅ２は、チャンバＣ内における火炎の移動を検出するように構成される。具体的には、第２センサＳｅ２は、チャンバＣ内において、意図した位置よりも上流の位置に火炎が移動することを検出するように構成される。例えば、第２センサＳｅ２は、各バーナ４５の噴出口周りに設けられる温度センサを含んでもよい。第２センサＳｅ２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、検出データを制御装置９０に送信する。制御装置９０は、バーナ４５の噴出口周りにおける温度上昇を検出することによって、対応するバーナ４５への火炎の接近を検出することができる。代替的に、第２センサＳｅ２は、火炎を検出可能な光センサであってもよい。
　図１を参照して、第３センサＳｅ３は、配管Ｐ３に設けられる。他の実施形態では、第３センサＳｅ３は、燃焼器４２よりも下流の他の位置に設けられてもよい。例えば、第３センサＳｅ３は、排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサであることができる。第３センサＳｅ３は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、検出データを制御装置９０に送信する。
　第４センサＳｅ４は、配管Ｐ３に設けられる。他の実施形態では、第４センサＳｅ４は、燃焼器４２よりも下流の他の位置に設けられてもよい。第４センサＳｅ４は、排気ガス中のアンモニアの濃度を検出するアンモニアセンサであることができる。第４センサＳｅ４は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、検出データを制御装置９０に送信する。
　制御装置９０は、システム１００の全体または一部を制御する。例えば、制御装置９０は、１つまたは複数のＰＣにより構成されてもよい。制御装置９０は、例えば、プロセッサ９０ａ、記憶装置９０ｂおよびコネクタ９０ｃ等の構成要素を含み、これらの構成要素はバスを介して互いに接続される。例えば、プロセッサ９０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。例えば、記憶装置９０ｂは、ハードディスク、プログラム等が格納されるＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置９０は、コネクタ９０ｃを介してシステム１００の各構成要素と有線でまたは無線で通信可能に接続される。例えば、制御装置９０は、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置等、他の構成要素を更に含んでもよい。例えば、制御装置９０の以下の動作は、記憶装置９０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ９０ａに実行することによって、実現されてもよい。
　続いて、システム１００の動作について説明する。
　図３は、図１のガスタービンシステム１００の動作を示すフローチャートである。図４から図７は、図３に続くフローチャートである。例えば、図３から図７に示される動作は、ガスタービンシステム１００が稼働する間、所定のインターバルで繰り返されてもよい。
　図３を参照して、制御装置９０のプロセッサ９０ａは、各第２センサＳｅ２によって検出される温度が、所定の制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１００）。例えば、温度の制限値は、チャンバＣ内において火炎が各バーナ４５に接近を許容される最大値として、実験または解析によって決定されてもよく、記憶装置９０ｂに記憶されてもよい。代替的に、光センサが第２センサＳｅ２として使用される場合、ステップＳ１００では、第２センサＳｅ２によって検出される火炎の位置が、所定の範囲内であるか否かを判定してもよい。所定の範囲は、チャンバＣ内において火炎が存在することが許容される範囲として、実験または解析によって決定されてもよく、記憶装置９０ｂに記憶されてもよい。
　ステップＳ１００において、各第２センサＳｅ２によって検出される温度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、ステップＳ１０２に進む。
　ステップＳ１００において、いずれかの第２センサＳｅ２によって検出される温度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図４に示される動作に進む（Ａ）。
　図４を参照して、プロセッサ９０ａは、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの流量、および、バーナ４５の動作の少なくとも一方を調整する（ステップＳ２００）。
　図１を参照して、例えば、プロセッサ９０ａは、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３に供給されるアンモニアの量を減らしてもよい。この場合、クラッキング装置３において生成される水素リッチガスの量が減る。したがって、クラッキング装置３から燃焼器４２へ供給される水素の量が減り、チャンバＣ内における燃焼速度が低下する。したがって、火炎が下流側に移動し、バーナ４５から離れる。その結果、逆火が防止される。
　図２を参照して、代替的にまたは追加的に、例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうちの少なくとも１つの動作を調整してもよい。例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうち、未使用のバーナ４５のバルブＶ３およびバルブＶ４を開いて、このバーナ４５を使用し始めてもよい。つまり、使用中のバーナ４５に供給される燃料の一部が、未使用のバーナ４５に割り当てられる。この場合、制限値以上の温度を検出した第２センサＳｅ２に対応するバーナ４５に供給される水素の量が減り、このバーナ４５周りでの燃焼速度が低下する。したがって、火炎が下流側に移動し、対応するバーナ４５から離れる。その結果、逆火が防止される。
　図４を参照して、プロセッサ９０ａは、再度、各第２センサＳｅ２によって検出される温度が、制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
　ステップＳ２０２において、各第２センサＳｅ２によって検出される温度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、図３のステップＳ１０２に進む（Ｅ）。
　ステップＳ２０２において、いずれかの第２センサＳｅ２によって検出される温度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図４に示される動作を繰り返す。
　図３を参照して、プロセッサ９０ａは、第１センサＳｅ１によって検出される圧力変動が、所定の制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。圧力変動は、様々な方法で計算されてもよい。例えば、圧力変動は、所定の期間における圧力の最大値および最小値の差として計算されてもよい。圧力変動はこれに限定されず、他の様々な方法で計算され得る。例えば、圧力変動の制限値は、許容される燃焼振動の最大値として、実験または解析によって決定されてもよく、記憶装置９０ｂに記憶されてもよい。
　ステップＳ１０２において、圧力変動が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、ステップＳ１０４に進む。
　ステップＳ１０２において、圧力変動が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図５に示される動作に進む（Ｂ）。
　図５を参照して、プロセッサ９０ａは、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの流量、および、バーナ４５の動作の少なくとも一方を調整する（ステップＳ３００）。
　図１を参照して、例えば、プロセッサ９０ａは、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３に供給されるアンモニアの量を調整してもよい。この場合、クラッキング装置３において生成される水素リッチガスの量が変化する。したがって、クラッキング装置３から燃焼器４２へ供給される水素の量が変化し、チャンバＣ内における燃焼速度も変化する。その結果、チャンバＣ内の燃焼状態が変化し、圧力状態も変化する。これにより、バーナ４５からチャンバＣ内への燃料の噴射も安定する。このため、燃焼振動が防止される。
　図２を参照して、代替的にまたは追加的に、例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうちの少なくとも１つの動作を調整してもよい。例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうち、未使用のバーナ４５のバルブＶ３およびバルブＶ４を開いて、このバーナ４５を使用し始めてもよい。つまり、使用中のバーナ４５に供給される燃料の一部が、未使用のバーナ４５に割り当てられる。この場合、１つのバーナ４５に供給される水素の量が減り、使用中のバーナ４５周りでの燃焼が小さくなる。その結果、使用中のバーナ４５周りの圧力が安定し、バーナ４５からチャンバＣ内への燃料の噴射も安定する。このため、燃焼振動が防止される。
　図５を参照して、プロセッサ９０ａは、再度、圧力変動が制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３０２）。
　ステップＳ３０２において、圧力変動が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、図３のステップＳ１０４に進む（Ｆ）。
　ステップＳ３０２において、圧力変動が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図５に示される動作を繰り返す。
　図３を参照して、プロセッサ９０ａは、第４センサＳｅ４によって検出されるアンモニアの濃度が、所定の制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０４）。例えば、アンモニアの制限値は、法令に基づいて決定されてもよく、記憶装置９０ｂに記憶されてもよい。
　ステップＳ１０４において、アンモニアの濃度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、ステップＳ１０６に進む。
　ステップＳ１０４において、アンモニアの濃度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図６に示される動作に進む（Ｃ）。
　図６を参照して、プロセッサ９０ａは、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの流量、および、バーナ４５の動作の少なくとも一方を調整する（ステップＳ４００）。
　図１を参照して、例えば、プロセッサ９０ａは、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３に供給されるアンモニアの量を増やしてもよい。この場合、クラッキング装置３において生成される水素リッチガスの量が増える。したがって、クラッキング装置３から燃焼器４２へ供給される水素の量が増え、チャンバＣ内における燃焼が安定する。その結果、燃焼可能なアンモニアの量も増加する。このため、排気ガス中のアンモニアが低減される。
　図２を参照して、代替的にまたは追加的に、例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうちの少なくとも１つの動作を調整してもよい。例えば、プロセッサ９０ａは、使用中の一部のバーナ４５のバルブＶ３およびバルブＶ４を閉じて、このバーナ４５の使用を止めてもよい。つまり、使用中の一部のバーナ４５に供給される燃料が、他の使用中のバーナ４５に割り当てられる。この場合、１つのバーナ４５に供給される水素の量が増え、使用中のバーナ４５周りの燃焼が安定する。その結果、燃焼可能なアンモニアの量も増加する。このため、排気ガス中のアンモニアが低減される。
　図６を参照して、プロセッサ９０ａは、再度、アンモニアの濃度が制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ４０２）。
　ステップＳ４０２において、アンモニアの濃度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、図３のステップＳ１０６に進む（Ｇ）。
　ステップＳ４０２において、アンモニアの濃度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図６に示される動作を繰り返す。
　図３を参照して、プロセッサ９０ａは、第３センサＳｅ３によって検出されるＮＯｘの濃度が、所定の制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。例えば、ＮＯｘの制限値は、法令に基づいて決定されてもよく、記憶装置９０ｂに記憶されてもよい。
　ステップＳ１０６において、ＮＯｘの濃度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、一連の動作を終了する。
　ステップＳ１０６において、ＮＯｘの濃度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図７に示される動作に進む（Ｄ）。
　図７を参照して、プロセッサ９０ａは、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの流量、および、バーナ４５の動作の少なくとも一方を調整する（ステップＳ５００）。
　図１を参照して、例えば、プロセッサ９０ａは、バルブＶ２の開度を制御することによって、クラッキング装置３に供給されるアンモニアの量を増やしてもよい。この場合、タンク１からの総アンモニアに対して、クラッキング装置３において分解されるアンモニアの割合が増加する。この場合、より多くのアンモニアの窒素原子Ｎが、クラッキング装置３から燃焼器４２までの区間に、酸素原子Ｏが無いまたは少ない環境において、窒素分子Ｎ２へと結合する。窒素分子Ｎ２は安定的であり、燃焼器４２に直接供給されるアンモニア分子中の窒素原子Ｎに比べて、酸素原子Ｏと結合し難い。したがって、ＮＯｘの生成、特にフューエルＮＯｘの生成が抑制される。
　図２を参照して、代替的にまたは追加的に、例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうちの少なくとも１つの動作を調整してもよい。例えば、プロセッサ９０ａは、複数のバーナ４５のうち、未使用のバーナ４５のバルブＶ３およびバルブＶ４を開いて、このバーナ４５を使用し始めてもよい。つまり、使用中のバーナ４５に供給される燃料の一部が、未使用のバーナ４５に割り当てられる。この場合、１つのバーナ４５に供給される燃料の量が減り、使用中のバーナ４５周りでの燃焼温度が低くなる。その結果、使用中のバーナ４５周りにおけるＮＯｘの生成、特にサーマルＮＯｘの生成が抑制される。
　図７を参照して、プロセッサ９０ａは、再度、ＮＯｘの濃度が制限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５０２）。
　ステップＳ５０２において、ＮＯｘの濃度が制限値よりも小さい場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、一連の動作を終了する（Ｈ）。
　ステップＳ５０２において、ＮＯｘの濃度が制限値以上である場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、図７に示される動作を繰り返す。
　以上のようなシステム１００は、アンモニアを貯蔵するタンク１と、タンク１に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置３と、タンク１およびクラッキング装置３に流体的に接続され、タンク１からのアンモニアと、クラッキング装置３からの水素リッチガスと、を燃焼する燃焼器４２と、燃焼器における燃焼異常（逆火、燃焼振動、排気ガス中のＮＯｘの増加、および、排気ガス中のアンモニアの増加）を検出するセンサＳｅと、センサＳｅに通信可能に接続され、センサＳｅの検出結果に基づいてクラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの量を調整する制御装置９０と、を備える。このような構成によれば、燃焼異常が検出される場合に、センサＳｅの検出結果に基づいて、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素の量が調整され、チャンバＣ内での燃焼の速度およびサイズが制御される。したがって、燃焼異常を防止することができる。また、例えば、上記のように、特許文献１では、第一の燃焼チャンバからの排ガスからＮＯｘを除去するために、第二の燃焼チャンバが設けられる。しかしながら、システム１００では、ＮＯｘ除去専用の追加の燃焼器を設ける必要はない。したがって、上記のような構成によれば、システムを小型化することができる。
　また、システム１００では、センサＳｅは、燃焼器４２に設けられ、燃焼振動を検出する第１センサＳｅ１を含む。このような構成によれば、燃焼器４２における燃焼振動を防止することができる。
　また、システム１００では、センサＳｅは、燃焼器４２に設けられ、火炎の移動を検出する第２センサＳｅ２を含む。このような構成によれば、燃焼器４２における逆火を防止することができる。
　また、システム１００では、センサＳｅは、燃焼器４２よりも下流の位置において、排気ガス中のＮＯｘを検出する第３センサＳｅ３を含む。このような構成によれば、排気ガス中のＮＯｘの増加を防止することができる。
　また、システム１００では、センサＳｅは、燃焼器４２よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサＳｅ４を含む。このような構成によれば、排気ガス中のアンモニアの増加を防止することができる。
　また、システム１００では、燃焼器４２は、複数のバーナ４５を含み、制御装置９０は、センサＳｅの検出結果に基づいて複数のバーナ４５の動作を制御する。このような構成によれば、チャンバＣ内での燃焼の速度およびサイズをより詳細に制御することができる。したがって、燃焼異常をさらに防止することができる。
　続いて、他の実施形態に係るシステムについて説明する。
　図８は、第２実施形態に係るガスタービンシステム１００の動作を示すフローチャートである。第２実施形態に係るシステム１００は、プロセッサ９０ａがステップＳ１０８，Ｓ１１０，Ｓ１１２をさらに実行する点で、第１実施形態に係るシステム１００と異なる。その他の構成については、第２実施形態に係るシステム１００は、第１実施形態に係るシステム１００と同じであってもよい。
　図９は、アンモニア分解率および各パラメータの間の関係を示す概略的なグラフである。図９において、横軸は、タンク１からの総アンモニアに対して、クラッキング装置３において分解されるアンモニアの割合を示す。また、クラッキング装置３から燃焼器４２に供給される水素の量はアンモニア分解率に比例することから、横軸はクラッキング装置３から燃焼器４２に供給される水素の量にも相当する。実線は、逆火の可能性を示す。また、逆火の可能性は、通常運転時は低温だが、逆火発生時または上流側に移動する火炎の接近時には、高温となる部位の温度に比例することから、実線はこのような部位の温度にも相当する。破線は、排気ガス中のＮＯｘの濃度およびアンモニアの濃度を示す。また、脱硝装置の運転コストは排気ガス中のアンモニアの濃度に比例することから、破線は脱硝装置の運転コストにも相当する。一点鎖線は、クラッキング装置３において、アンモニアの分解に必要なエネルギ量を示す。アンモニアの分解は吸熱反応であることから、エネルギを必要とする。また、エネルギをシステム１００の外部から取得する場合、クラッキング装置３の運転コストは、エネルギ量に比例する。したがって、一点鎖線は、クラッキング装置３の運転コストにも相当する。
　図９に示されるように、アンモニア分解率が低い領域では、逆火の可能性は低く、クラッキング装置３の運転コストも低い。対照的に、この領域では、ＮＯｘの濃度およびアンモニアの濃度が高く、したがって、脱硝装置の運転コストも高い。アンモニア分解率が高い領域では、逆火の可能性は高く、クラッキング装置３の運転コストも高い。対照的に、この領域では、ＮＯｘの濃度およびアンモニアの濃度が低く、したがって、脱硝装置の運転コストも低い。例えば、制御装置９０は、逆火が発生しない範囲において、システム１００における少なくとも１つのコストパラメータがより低く維持されるように、アンモニアの分解率を制御してもよい。なお、制御装置９０において考慮されるパラメータは、図９に示されるものに限定されず、制御装置９０は、他のパラメータをさらに考慮するように構成されてもよい。
　例えば、図８では、プロセッサ９０ａは、図３から図７に示される動作の後に、クラッキング装置３および不図示の脱硝装置の運転コストを計算する（ステップＳ１０８）。上記のように、例えば、これらの運転コストは、アンモニアの分解率（または、分解されるアンモニアの量）に基づいて計算されてもよい。
　プロセッサ９０ａは、今回の合計の運転コストは、前回の合計の運転コスト以下か否かを判定する（ステップＳ１１０）。例えば、前回の運転コストは、記憶装置９０ｂに保存されていてもよい。
　ステップＳ１１０において、今回の合計の運転コストが前回の合計の運転コスト以下の場合（ＹＥＳ）、プロセッサ９０ａは、一連の動作を終了する。
　ステップＳ１１０において、今回の合計の運転コストが前回の合計の運転コストよりも高い場合（ＮＯ）、プロセッサ９０ａは、合計の運転コストが低下するように、クラッキング装置３から燃焼器４２への水素リッチガスの流量、および、バーナ４５の動作の少なくとも一方を調整し（ステップＳ１１２）、一連の動作を終了する。
　以上のような第２実施形態に係るシステム１００は、第１実施形態に係るシステム１００と同様な効果を奏する。特に、第２実施形態では、システム１００の運転コストを考慮することができる。
　以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記の実施形態では、ガスタービンシステム１００が、燃焼システムとして機能する。他の実施形態では、燃焼システムは、アンモニアを燃料として使用する他のシステムに適用されてもよい。例えば、燃焼システムは、蒸気タービンシステムに適用されてもよい。この場合、蒸気タービンシステムは、アンモニアを燃焼させるボイラと、ボイラで発生した蒸気によって運転される蒸気タービンと、を備えてもよい。この場合、燃焼システムは、上記のガスタービン４の燃焼器４２に代えて、ボイラの燃焼器を備える。
　本開示は、ＣＯ２放出の削減につながるアンモニアの使用を促進することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギへのアクセスを確保する」に貢献することができる。
　１　　　　タンク（アンモニア供給源）
　３　　　　クラッキング装置
　４２　　　燃焼器
　４５　　　バーナ
　９０　　　制御装置
　１００　　ガスタービンシステム（燃焼システム）
　Ｓｅ　　　センサ
　Ｓｅ１　　第１センサ
　Ｓｅ２　　第２センサ
　Ｓｅ３　　第３センサ
　Ｓｅ４　　第４センサ

Claims (15)

  1. 　アンモニア供給源と、
    　前記アンモニア供給源に接続され、アンモニアを水素および窒素へと分解するクラッキング装置と、
    　前記アンモニア供給源および前記クラッキング装置に接続され、前記アンモニア供給源からのアンモニアと、前記クラッキング装置からの水素を含むガスと、を燃焼する燃焼器と、
    　前記燃焼器における燃焼異常を検出するセンサと、
    　前記センサに通信可能に接続され、前記センサの検出結果に基づいて前記クラッキング装置から前記燃焼器への前記ガスの量を調整する制御装置と、
    　を備える、燃焼システム。
  2. 　前記センサは、前記燃焼器に設けられ、燃焼振動を検出する第１センサを含む、請求項１に記載の燃焼システム。
  3. 　前記センサは、前記燃焼器に設けられ、火炎の移動を検出する第２センサを含む、請求項１または２に記載の燃焼システム。
  4. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のＮＯｘを検出する第３センサを含む、請求項１または２に記載の燃焼システム。
  5. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のＮＯｘを検出する第３センサを含む、請求項３に記載の燃焼システム。
  6. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサを含む、請求項１または２に記載の燃焼システム。
  7. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサを含む、請求項３に記載の燃焼システム。
  8. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサを含む、請求項４に記載の燃焼システム。
  9. 　前記センサは、前記燃焼器よりも下流の位置において、排気ガス中のアンモニアを検出する第４センサを含む、請求項５に記載の燃焼システム。
  10. 　前記燃焼器は、複数のバーナを含み、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項１または２に記載の燃焼システム。
  11. 　前記燃焼器は、複数のバーナを含み、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項３に記載の燃焼システム。
  12. 　前記燃焼器は、複数のバーナを含み、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項４に記載の燃焼システム。
  13. 　前記燃焼器は、複数のバーナを含み、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項５に記載の燃焼システム。
  14. 　前記燃焼器は、複数のバーナを含み、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項６に記載の燃焼システム。
  15. 　前記燃焼器は、複数のバーナを備え、
    　前記制御装置は、前記センサの前記検出結果に基づいて前記複数のバーナの動作を制御する、請求項７に記載の燃焼システム。
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