特表2023-532540発電プラントにおける体積流量を制御するためのシステムおよび方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-28
(54)【発明の名称】発電プラントにおける体積流量を制御するためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
F02C 3/34 20060101AFI20230721BHJP
F02C 9/28 20060101ALI20230721BHJP
F23R 3/28 20060101ALI20230721BHJP
F23R 3/26 20060101ALI20230721BHJP
【ＦＩ】
F02C3/34
F02C9/28 C
F23R3/28 A
F23R3/26 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022581530
(86)(22)【出願日】2021-06-28
(85)【翻訳文提出日】2023-02-20
(86)【国際出願番号】 IB2021055771
(87)【国際公開番号】W WO2022003540
(87)【国際公開日】2022-01-06
(31)【優先権主張番号】63/045,528
(32)【優先日】2020-06-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】312000387
【氏名又は名称】８ リバーズ キャピタル，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】フェトヴェト，ジェレミー エロン
(57)【要約】
本開示は、燃焼器、特に発電方法において利用される燃焼器に流入する流れの体積流量の制御方法を提供する。コントローラを使用して、様々な入力を受信し、計算を実行し、燃焼器に流入する１つ以上の流れの１つ以上のパラメータを調整する１つ以上の信号を出力することができる。このような調整は、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量の直接測定を必要とせずに、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量を正規化するのに有効であり得る。
【選択図】なし
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼器入口または出口流の体積流量を制御するための方法であって、前記方法は、１つ以上の信号をコントローラに提供することであって、前記１つ以上の信号は、
燃焼器に流入する１つ以上の流れ、
前記燃焼器から流出する排気流、または
前記燃焼器に流入する１つ以上の流れおよび前記燃焼器から流出する排気流
のうちの１つ以上のパラメータを示すことと、
前記コントローラを使用して、前記燃焼器入口または出口流の体積流量を調整するのに有効な係数を計算することと、
前記燃焼器と前記燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量を直接測定せずに、前記燃焼器と前記燃焼器のすぐ下流側の前記タービンとの間の体積流量が規定範囲内で制御されるように、前記係数を満たし、前記燃焼器入口または出口流の体積流量を調節するのに有効な１つ以上の出力信号を前記コントローラから出力することと、
を含む、方法。
【請求項2】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の点における燃料流の質量流量に対応する信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における酸化剤流の圧力に対応する信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
計算することは、前記燃焼器に流入する酸化剤の体積流量を正規化するための係数を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記計算することは、前記燃焼器の全負荷運転に必要とされる前記燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の燃料流の質量流量である定数に少なくとも部分的に基づく、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記計算することは、前記燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における酸化剤流の圧力と前記燃焼器から流出する排気流の圧力との差である定数に少なくとも部分的に基づき、前記圧力は、前記燃焼器の全負荷運転に必要な圧力である、請求項５に記載の方法。
【請求項8】
計算された係数は、前記燃焼器に流入する酸化剤流中の酸素対二酸化炭素の比率を調整するために使用される、請求項５に記載の方法。
【請求項9】
計算することは、前記燃焼器に流入する燃料の体積流量を正規化するための係数を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記コントローラは、前記燃焼器に入る燃料ノズルを通じる圧力降下を計算するように構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記燃料ノズルを通じる圧力降下は、少なくとも、前記燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号と、前記燃料ノズルに流入する燃料流の圧力に対応する信号とに基づいて計算される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
計算された係数は、前記燃焼器に流入する燃料流中の二酸化炭素対燃料の比率を調整するために使用される、請求項９に記載の方法。
【請求項13】
発電のための方法であって、前記方法は、燃焼器排気流を形成するために二酸化炭素希釈剤の存在下において前記燃焼器内で燃料が酸化剤と共に燃焼されるように、前記燃焼器に複数の流れを流入させることと、
前記燃焼器排気流をタービン内で膨張させて、所望の出力で動力を発生させ、タービン排気流を生成することと、
前記タービン排気流を処理して、前記タービン排気流から二酸化炭素を分離し、前記二酸化炭素希釈剤を生成することと、
前記タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに前記燃焼器に流入する複数の流れの総体積流量が１０％以下だけ変化するように、前記タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することと、
を含む、方法。
【請求項14】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記タービンによって発生した動力の所望の出力の増減を示す１つ以上の制御入力をコントローラに入力することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記燃焼器に複数の流れを流入させることは、燃料流を前記燃焼器に流入させることを含み、前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器への燃料流の入口のすぐ上流側の点における前記燃料流の質量流量に対応する信号をコントローラに入力することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器から上流側の前記燃料流への前記二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号を前記コントローラから出力することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記燃焼器に複数の流れを流入させることは、酸化剤流を前記燃焼器に流入させることを含み、前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器への酸化剤流の入口のすぐ上流側の点における前記酸化剤流の圧力に対応する信号をコントローラに入力することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項18】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器から上流側の前記酸化剤流への前記二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号を前記コントローラから出力することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、発電プラントの動作を制御するためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、本開示のシステムおよび方法は、発電プラントにおける１つ以上の流れの体積流量（単数または複数）を制御するのに有用であり得る。
【背景技術】
【0002】
発電量の需要が増加するにつれて、その要求を満たす発電プラントが継続的に必要である。市場の需要のために、そのような発電が最大限の効率で実現されることが望ましいが、炭素捕捉の必要性が増大することで、技術的進歩が必要となっている。例えば、その開示内容が参照により本願明細書に援用されている、アラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第８，５９６，０７５号は、ＣＯ２が高圧で比較的純粋な流れとして捕捉される再循環ＣＯ２流を利用する酸素燃料燃焼システムにおける望ましい効率を提供するものである。再循環ＣＯ２流を組み込むシステムおよび方法は公知であるが、システム全体における種々の流れを正確に制御することは依然として困難であり得る。特に、そのようなシステムの動力出力の変動は、システムを通る体積流量の著しい変化をもたらす可能性があり、既知のシステムにおけるそのような流量変化を考慮することは困難である可能性がある。したがって、当技術分野では、発電プラントを通る体積流量を大幅に変化させずに動力出力の変動を実現させることができるような発電プラントの動作のためのさらなる手段が依然として必要とされている。
【発明の概要】
【0003】
本開示は、発電のためのシステムおよび方法に関する。本開示のシステムおよび方法は、燃焼器に流入する燃料流および酸化剤流の一方または両方の体積流量を制御することを含むがこれに限定されない、発電の１つ以上の態様に対する制御の改善を実現するのに有効であり得る。このような制御は、燃焼器とタービンとの間を通過する燃焼器排気流の体積流量を正規化するのに有効であり得る。さらに、本開示に従って行われる制御は、１つ以上のノズルおよび／または噴射孔を通過する燃料および／または酸化剤の速度を制御するのに有効であり得、その結果、燃焼プロセスのためのより大きな動作エンベロープを生じさせることができる。さらに、この制御は、高域および低域噴射ポートなどの他の方法を必要とせずに行われ得る。
【0004】
本開示に従う１つ以上の制御機能は、発電プラントにおける１つ以上の流れの化学的性質の改変、特に燃焼器に流入する燃料流および酸化剤流の一方または両方の化学的性質の改変に有効であり得る。そうすることで、本開示によれば、燃焼室に流入する体積流量を制御し（例えば、噴射部材を通る燃料および／または酸化剤の流速の制御を改善することにより）、ひいては、燃焼器から流出する燃焼器排気流の体積流量を制御することが可能である。このようなパラメータは、典型的には、発電プラントにおいて測定することが非常に困難であるが、本開示は、体積流量の代用パラメータを利用する。例えば、発電プラントの１つ以上の要素にわたる圧力差が利用され得る。いくつかの実施形態では、燃焼器に入る燃料ノズルと燃焼器排気流との間の圧力差が使用され得る。いくつかの実施形態では、燃焼器に入る酸化剤ノズルと燃焼器排気流との間の圧力差が使用され得る。測定値は、１つ以上の関数に入力され得、そうすることにより、コンピュータ計算を使用して、燃料流および／または酸化剤流に注入され得る希釈剤（例えば、ＣＯ２）の量を増減させて、流れの化学的性質を改変することができる。したがって、流れの体積流量は実質的に一定のまま維持され得るが、例えば、燃料流中の燃料または酸化剤流中の酸化剤（例えば、酸素）の相対濃度は変動し得る。パラメータは、パラメータが１０％以下、５％以下、２％以下、１％以下、または０．５％以下だけ経時的に変化する場合、「実質的に一定」であると考えられ得、これらのうちのいずれかが選択され得る。
【0005】
本開示のシステムおよび方法は、当技術分野における従来の教示に反する。例えば、典型的なガスタービンでは、燃焼器に流入する酸化剤の化学的性質を効果的に制御することは困難または不可能であり得る。さらに、典型的なガスタービンでは、燃焼ノズルは、狭い範囲のウォッベ指数値用に設計されており、動作中のこの狭い範囲からのずれは許容できない。本開示は、燃焼器に流入する燃料流のウォッベ値を直接変更することによって、システムの個々の構成部材に対する許容可能なウォッベ指数値における構造上の制限に関する問題を克服する。このことは、ひいては、燃焼プロセスのさらなる態様の制御を改善することができる。
【0006】
１つ以上の実施形態において、本開示は、特に、燃焼器入口または出口流の体積流量を制御するための方法を提供することができる。例えば、このような方法は、燃焼器に流入する１つもしくは複数の流れ、燃焼器から流出する排気流、または燃焼器に流入する１つもしくは複数の流れおよび燃焼器から流出する排気流の１つもしくは複数のパラメータを示す、１つ以上の信号をコントローラに提供することと、コントローラを使用して、燃焼器入口または出口流の体積流量を調整するのに有効な係数を計算することと、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量を直接測定せずに、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量が規定範囲内で制御されるように、その係数を満たし、燃焼器入口または出口流の体積流量を調整するのに有効な１つ以上の出力信号をコントローラから出力することとを含み得る。さらなる実施形態では、このような方法は、以下の記述のうちの１つ以上に関連してさらに定義され得る。これらの記述は、任意の数および／または順序で組み合わせられ得る。
【0007】
１つ以上の信号をコントローラに提供するステップは、燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の点における燃料流の質量流量に対応する信号を提供することを含み得る。
【0008】
１つ以上の信号をコントローラに提供するステップは、燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号を提供することを含み得る。
【0009】
１つ以上の信号をコントローラに提供するステップは、燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における酸化剤流の圧力に対応する信号を提供することを含み得る。
【0010】
計算するステップは、燃焼器に流入する酸化剤の体積流量を正規化するための係数を計算することを含み得る。
【0011】
計算するステップは、燃焼器の全負荷運転に必要とされる燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の燃料流の質量流量である定数に少なくとも部分的に基づき得る。
【0012】
計算するステップは、燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における酸化剤流の圧力と燃焼器から流出する排気流の圧力との差である定数に少なくとも部分的に基づき得、前記圧力は、燃焼器の全負荷運転に必要な圧力である。
【0013】
計算された係数は、燃焼器に流入する酸化剤流中の酸素対二酸化炭素の比率を調整するために使用され得る。
【0014】
計算するステップは、燃焼器に流入する燃料の体積流量を正規化するための係数を計算することを含み得る。
【0015】
コントローラは、燃焼器に入る燃料ノズルを通じる圧力降下を計算するように構成され得る。
【0016】
燃料ノズルを通じる圧力降下は、少なくとも、燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号と、燃料ノズルに流入する燃料流の圧力に対応する信号とに基づいて計算され得る。
【0017】
計算された係数は、燃焼器に流入する燃料流中の二酸化炭素対燃料の比率を調整するために使用され得る。
【0018】
さらなる実施形態では、本開示は、発電のための方法を提供することができる。例えば、このような方法は、二酸化炭素希釈剤の存在下において燃焼器内で燃料が酸化剤と共に燃焼されて燃焼器排気流を形成するように、複数の流れを燃焼器に流入させることと、タービン内で燃焼器排気流を膨張させて所望の出力で動力を発生させ、タービン排気流を生成することと、タービン排気流を処理してタービン廃棄流から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素希釈剤を生成することと、タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに燃焼器に流入する複数の流れの総体積流量が１０％以下だけ変化するように、タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することとを含み得る。さらなる実施形態では、このような方法は、以下の記述のうちの１つ以上に関連してさらに定義され得る。これらの記述は、任意の数および／または順序で組み合わせられ得る。
【0019】
燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変するステップは、タービンによって発生した動力の所望の出力の増減を示す１つ以上の制御入力をコントローラに入力することを含み得る。
【0020】
複数の流れを燃焼器に流入させるステップは、燃料流を燃焼器に流入させることを含み得、燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、燃焼器への燃料流の入口のすぐ上流側の点における燃料流の質量流量に対応する信号をコントローラに入力することを含む。
【0021】
燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変するステップは、燃焼器から上流側の燃料流への二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号をコントローラから出力することを含み得る。
【0022】
複数の流れを燃焼器に流入させるステップは、酸化剤流を燃焼器に流入させることを含み得、燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、燃焼器への酸化剤流の入口のすぐ上流側の点における酸化剤流の圧力に対応する信号をコントローラに入力することを含む。
【0023】
燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変するステップは、燃焼器から上流側の酸化剤流への二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号をコントローラから出力することを含み得る。
【0024】
さらなる実施形態では、本開示は、発電システムを提供することができる。一実施形態例では、そのようなシステムは、加熱加圧燃焼器排気流を出力するように動作可能な燃焼器と、燃焼器の下流側に位置決めされ、加熱加圧燃焼器排気流を膨張させてタービン排気流を生成するように動作可能なタービンと、タービンの下流側に位置決めされ、再循環二酸化炭素流を通過させるＣＯ２フローラインと、燃焼器に燃料を流入させるように構成された燃料フローラインと、燃焼器に酸化剤を流入させるように構成された酸化剤フローラインと、少なくとも１つのコントローラとを備え得る。コントローラは、特に、１つ以上の入力を受信し、正規化係数を生成するのに有効な１つ以上の計算を実行し、正規化係数を使用してシステムの１つ以上のライン内の１つ以上の流れを調整するように構成され得る。例えば、コントローラは、ＣＯ２フローラインから燃料フローラインおよび酸化剤フローラインの一方または両方への二酸化炭素の流れを調整するように構成され得る。コントローラは、特に、コントローラによって指示される調整が、燃焼器から排出される加熱加圧燃焼器排気流の体積流量を、発電システムの動作中に１０％以下だけ変化させることができるように構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】発電方法を実行するのに好適な制御要素を含む発電システムのフローチャートを例解している。
【図2】本開示に従って発電方法を実行するのに好適な制御要素を含む改良型発電システムのフローチャートを例解している。
【図3】燃焼器に出入りする体積流量の正規化のための制御要素を含む、本開示の実施形態に係る燃焼器の部分断面図を例解している。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下に、本発明についてさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化され得、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものと解釈すべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものであり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提示されるものである。本明細書で使用される場合、文脈上明白に他を意味する場合を除き、単数形「一」、「一つ」、「その」）は、複数の指示対象を含む。
【0027】
本開示は、発電に有用なシステムおよび方法を提供する。より具体的には、本開示のシステムおよび方法は、通常であれば燃焼器に流入する体積流量の著しい変動を引き起こすことが予想される発電プラントからの動力出力の変化に関係なく、燃焼器に流入する体積流量を実質的に一定に（例えば、本明細書に記載されるように規定の変動範囲内に）維持することができるように、発電プラントを制御することができる。
【0028】
本開示に係る制御システムおよび方法は、多種多様な発電システムに関連して利用され得る。例えば、本明細書に記載の制御要素は、流れ（周囲圧力を超える圧力で加圧される場合もあればそうでない場合もある）を加熱するために燃料が燃焼される１つ以上のシステムに適用され得る。制御要素は、同様に、作動流体を繰り返し加熱し冷却するために、および／または繰り返し加圧し膨張させるために作動流体が循環される１つ以上のシステムに適用され得る。このような作動流体は、例えば、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、およびＮ２のうちの１つ以上を含み得る。
【0029】
本明細書に記載されるような制御要素が実装され得る発電システムおよび方法の実施例は、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らの米国特許第９，０６８，７４３号、アラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第９，０６２，６０８号、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らの米国特許第８，９８６，００２号、アラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第８，９５９，８８７号、パルマー（Ｐａｌｍｅｒ）らの米国特許第８，８６９，８８９号、アラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第８，７７６，５３２号、およびアラム（Ａｌｌａｍ）らの米国特許第８，５９６，０７５号に開示されており、その開示内容は参照により本明細書に援用される。非限定的な実施例として、本明細書で説明する制御要素が利用され得る発電システムは、燃焼器内のＣＯ２循環流体の存在下で燃料をＯ２と共に燃焼させるように構成され得、好ましくは、ＣＯ２は、少なくとも約８ＭＰａ、少なくとも約１０ＭＰａ、または少なくとも約１２ＭＰａの圧力および少なくとも約４００℃、少なくとも約５００℃、または少なくとも約６００℃の温度で導入されて、ＣＯ２を含む燃焼生成物流を生成し、好ましくは、燃焼生成物流は、少なくとも約６００℃、少なくとも約７００℃、または少なくとも約８００℃の温度を有する。このような発電システムはさらに、以下の記述のうちの１つ以上を特徴とすることができ、これらは、単独で、または以下の記述の全てまで含めた、いずれか２つ、３つ、４つ、５つなどの任意の組み合わせで利用され得る。
【0030】
燃焼生成物流は、約１ＭＰａ以上の吐出圧力でタービン全体にわたって膨張されることで動力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン吐出蒸気を生成し得る。
【0031】
タービン吐出流が熱交換器ユニットに通されることにより、冷却吐出流が生成され得る。
【0032】
冷却タービン吐出流は、ＣＯ２以外の１つ以上の二次成分を除去するように処理され、精製吐出流が生成され得る。精製吐出流は、ＣＯ２を含み得る、または主にＣＯ２であり得る、またはＣＯ２から成り得る。より具体的には、精製吐出流は、少なくとも９５重量％、少なくとも９８重量％、少なくとも９９重量％、または少なくとも９９．９重量％のＣＯ２を含み得る。
【0033】
精製吐出流は圧縮されて、超臨界ＣＯ２循環流体流が生成され得る。
【0034】
超臨界ＣＯ２循環流体流は冷却されて、高密度ＣＯ２循環流体（好ましくは、密度が少なくとも約２００ｋｇ／ｃｍ３である）が生成され得る。
【0035】
高密度ＣＯ２循環流体は、燃焼器への注入に好適な圧力に圧縮され得る。
【0036】
加圧されたＣＯ２循環流体は、タービン吐出流から回収された熱を使用して熱交換器ユニットを通過することによって加熱され得る。
【0037】
加圧されたＣＯ２循環流体の全てまたは一部は、タービン吐出流から取り出されない熱によってさらに加熱され得る（好ましくは、さらなる加熱は、熱交換器を通過する前、熱交換器を通過する間、または熱交換器を通過した後のうちの１つ以上において行われる）。
【0038】
加熱加圧ＣＯ２循環流体は、燃焼器内へ再循環され得る（好ましくは、この場合、燃焼器に流入する加熱加圧ＣＯ２循環流体の温度は、タービン吐出流の温度よりも約５０℃以下だけ低い）。
【0039】
上述の内容に加えて、本開示の発電システムおよび方法は、精製吐出流（すなわち、主にＣＯ２流）の一部が、燃焼器に供給される燃料流のための希釈剤として、または燃焼器に供給される酸化剤流のための希釈剤として、または燃料流および酸化剤流の両方のための希釈剤として使用されるように、任意の点から送られ得ることを特に特徴とし得る。燃料流および酸化剤流とは別に供給される希釈剤の量は、本明細書に別途記載されているように、１つ以上のコントローラによって制御され得、そのようなコントローラは、燃焼器に流入する全ての流れの体積流量を正規化するように特に構成され得る。
【0040】
本開示に係る制御要素は、パラメータ（例えば、測定パラメータおよび／または計算パラメータ）が１つ以上の実行可能なアクションに関連し得る１つ以上の関数によって定義され得る。実行可能なアクションは、例えば１つ以上の弁の開閉によって、システム内の流体の流れを調整する１つ以上のアクションを含み得る。非限定的な実施例として、本開示に係る制御システムにおける測定パラメータは、流体流量、圧力、温度、液体レベル、流体体積、流体組成などを含み得る。測定パラメータは、熱電対、圧力センサ、トランスデューサ、光検出器、流量計、分析機器（例えば、ＵＶ－ＶＩＳ分光計、ＩＲ分光計、質量分析計、ガスクロマトグラフ、高性能液体クロマトグラフなど）、ゲージ、および同様のデバイスなどの任意の好適なデバイスを使用して測定され得る。本開示に係る制御システムにおける計算パラメータは、例えば、圧縮機（例えば、ＣＯ２圧縮機）の消費電力、ポンプ（例えば、ＣＯ２ポンプ）の消費電力、極低温酸素プラントの消費電力、燃料入熱、１つ以上の流体流の圧力降下（例えば、熱交換器内の圧力降下）、温度差（例えば、熱交換器高温端および／または熱交換器低温端における温度差）、タービン動力出力、発電機電力出力、およびシステム効率を含み得る。計算パラメータは、例えば、測定パラメータに基づいてコンピュータ監視制御システムによって計算され得る。いくつかの実施形態では、本開示の制御要素は、特に、発電プラントの１つ以上の点における、特に、燃焼器内へ流れを流入させるノズルの入口および／または出口、燃焼器内の燃焼室の入口および／または出口、燃焼器の出口、ならびにタービンの入口および／または出口のうちの１つ以上における測定圧力または計算圧力に関係し得る。
【0041】
本開示の実施形態は、複数の制御要素を含む発電プロセスを例解している、図１に例解されている。統合された制御要素を有する例解されている発電システムは、燃焼器に流入する体積流量を正規化するのに特に有用であり得る。この構成では、発電システムは、サイクルが酸素と共に炭素質燃料を燃焼させる直接燃焼酸素燃料サイクルである場合に特に有用であり得る。例解されているように、作動流体は、発電機１１に接続された燃焼室１０ａおよびタービンセクション１０ｂを含む燃焼器／タービン１０と、第１の加熱冷却器１６と、分離器６０と、圧縮機３０と、第２の加熱冷却器１８と、ポンプ２０とを通って循環する。任意に、タービン１０ｂから流出する流れの中の熱が燃焼器／タービン１０に戻る前に作動流体流へ回収され得るように、復熱式熱交換器５０を含むことができる。
【0042】
燃焼室１０ａ内での燃料と酸化剤との燃焼熱が、好ましくは高圧（例えば、約１０バール以上、約２０バール以上、約５０バール以上、約８０バール以上、約１００バール以上、約１５０バール以上、約２００バール以上、または約２５０バール以上）の作動流体に加えられて、高圧の加熱燃焼生成物流が生成され、この燃焼生成物流は、タービンセクション１０ｂに送られ、膨張されてより低圧になり、タービン排気流１０１ａとして流出する。パラメータチェックポイント１３は、タービン１０ｂの下流側かつ第１の加熱冷却器１６の上流側（および任意に、存在する場合、復熱式熱交換器５０の上流側）に構成され、温度センサ、熱電対などを含む。コントローラ２（ポンプコントローラと特徴付けられ得る）は、パラメータチェックポイント１３において１つ以上の温度読取値（読取値は連続的または周期的であり得る）を指示および／または収集する。パラメータチェックポイント１３において実質的に一定の温度を維持するために、コントローラ２は、必要に応じてポンプ２０の動力調整を指示する。例えば、コントローラ２は、パラメータチェックポイント１３における温度読取値に応答してポンプ２０の速度を制御し得る。このようにして、コントローラ２は、燃焼室１０ａ内のシステムに導入されている熱の量とは無関係に、また同様にタービンセクション１０ｂの入口温度とは無関係に、タービン排気流１０１ａの所望の温度を維持するように構成され得る。このことは、ポンプ２０が、燃焼室１０ａに導入される熱の量で示されるタービンセクション１０ｂへの入口温度によって決まる正確な圧力で作動流体の正確な質量流量を供給するように特に制御され得るという点で有益である。
【0043】
このような動的制御は、図１に例解されている発電システム内の１つ以上のさらなるパラメータに影響を及ぼし得る。例えば、ポンプ２０を通る流量の変化は、ポンプからすぐ上流側の吸引圧力の変化を引き起こす。第２の加熱冷却器１８は、ポンプ２０における吸引温度を所望の値に維持するのに有用であり得る。ポンプ２０の実質的に一定の吸引圧力を維持するために、コントローラ３（ポンプ吸引圧力コントローラと特徴付けられ得る）は、パラメータチェックポイント２３に位置決めされた圧力センサ、トランスデューサなどを監視するように構成され得、コントローラ３は、そこから取得された圧力読取値を利用してスピルバック弁３１を制御し得、スピルバック弁３１は、圧縮機３０の下流側のＣＯ２流１０１ｂからのより多い流体またはより少ない流体がタービン排気流１０１ａ内の任意の位置にあり得るパラメータチェックポイント４４にスピルバックすることを可能にするように構成され得る。したがって、コントローラ３は、本質的に、スピルバック弁３１を介して圧縮機３０の周りの再循環流量を制御するように構成され得る。したがって、パラメータチェックポイント２３における圧力は、スピルバック弁３１を通る流体流を減少させることによって上昇し、スピルバック弁を通る流体流を増加させることによって低下し得る。流体がタービン排気流１０１ａ内にスピルバックされるとき、タービン排気流内の圧力を実質的に一定に維持することが望ましいこともある。したがって、パラメータチェックポイント１３は、同様に圧力センサ、トランスデューサなどを含み得る。温度センサおよび圧力センサは、同じパラメータチェックポイント内に構成され得る、または異なるパラメータチェックポイントがそれぞれのセンサに対してタービン排気流１０１ａ内で利用され得る。
【0044】
パラメータチェックポイント１３は、パラメータチェックポイント４４およびパラメータチェックポイント４３と流体連通しているので、ポイント１３、ポイント４４、およびポイント４３におけるそれぞれの圧力は、機器および配管を通る固有の圧力損失のみに起因して、著しく異なり得る。コントローラ４は、パラメータチェックポイント４３に位置決めされた圧力センサ、トランスデューサなどを監視するように構成され得、コントローラ４は、パラメータチェックポイント４４において実質的に一定の圧力を維持するために、ＣＯ２流１０１ｂからの流体がシステムに出入りできるように弁４１を制御するように構成され得る。したがって、パラメータチェックポイント４４は、必要に応じてコントローラ４によって監視され得る圧力センサ、トランスデューサなどを含み得る。弁４１は、所望の圧力を維持するために、ＣＯ２流１０１ｂから流体を除去し、および／またはＣＯ２流１０１ｂに流体を追加するように構成され得る。いくつかの実施形態では、単一の弁４１の代わりに２つの弁、すなわち、流体がより低い圧力シンクに流出することを可能にするように構成された第１の弁（すなわち、流体出口弁）と、流体がより高い圧力源から流入することを可能にするように構成された第２の弁（すなわち、流体入口弁）とが存在し得る。
【0045】
図１の例解されているシステムにおいて、圧縮機３０は、分離器６０からその入口ＣＯ２流を受け取り、その出口ＣＯ２流は、最終的にポンプ２０に供給される。圧縮機３０は、タービン１０ｂにシャフト装着され得、圧縮機の作動条件は、タービン排気条件の制御に基づいて実質的に不変であり得る。
【0046】
コントローラ２、コントローラ３、およびコントローラ４は、別個のコントローラであるものとして例解されて論じられているが、それぞれのコントローラは、より大きなユニットの一部として構成され得ることがわかる。例えば、単一の制御ユニットは、それらの指定パラメータチェックポイントおよびそれらの被制御デバイス（例えば、ポンプ２０、スピルバック弁３１、および弁４１）と個々に接続され得る複数のサブユニットを含み得る。さらに、制御ユニットは、それぞれのパラメータチェックポイントおよび被制御デバイスに対して指定される複数の入力および複数の出力を有するコントローラ全体（例えば、コンピュータまたは類似の電子デバイス）内のサブルーチンとして実質的に構成され得る。
【0047】
復熱式熱交換器５０が含まれる実施形態では、パラメータチェックポイント１３における温度の制御は特に重要であり得る。パラメータチェックポイント１３における温度を定常値または実質的に定常値付近に維持することによって、復熱式熱交換器５０内の温度プロファイルも実質的に一定に維持され得る。少なくとも、そのような制御スキームは、配管、熱交換器、およびシステム内で利用される他の高温機器の熱循環の低減または排除のために有益であり、このことにより、ひいては、構成部材の寿命を有意に延ばすことができる。
【0048】
コントローラ１（電力コントローラと特徴付けられ得る）は、種々の値を監視し、いくつもの制御コマンドを指示するように構成され得る。１つ以上の実施形態において、コントローラ１は、発電機１１の電力出力に関する測定値を測定および／または受信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラ１は、弁１４を開閉することによって必要な電力を生成するために、燃焼室１０ａへの入熱を指示するように構成され得る。したがって、発電機１１における電力出力が所望の出力を上回るまたは下回る場合、入熱を減少または増加させて、所望の電力出力を供給することができる。同様に、コントローラ１による電力出力の監視は、実質的に一定の電力出力が供給され得るように、入熱に対する動的変化を可能にする。多かれ少なかれ熱がシステムに加えられると、タービン入口温度が変化し、タービンを通って膨張した後、パラメータチェックポイント１３における温度が変化する。
【0049】
上述したように、タービン排気流１０１ａは、水分離器６０内で処理され得、そこで弁６１を通して水が取り除かれ得る。ＣＯ２流１０１ｂは、分離器６０の頂部から流出し、圧縮機３０を通過する（一部は弁４１を通って抜き出される）。圧縮機３０から流出する圧縮ＣＯ２流は、第２の加熱冷却器１８、次いでポンプ２０を通過して高圧ＣＯ２流を生成し、高圧ＣＯ２流は、燃焼器／タービン１０に戻され得る（任意に、復熱式熱交換器５０を通過して、タービン排気流から取り出された熱で加熱される）。上述したように、ＣＯ２流１０１ｂは、実質的に純粋なＣＯ２であり得、したがって、少なくとも９５重量％、少なくとも９７重量％、少なくとも９８重量％、少なくとも９９重量％、または少なくとも９９．５重量％のＣＯ２を含み得る。
【0050】
（水分離器コントローラと特徴付けられ得る）コントローラ６は、分離器６０内の水位を監視するために利用され、分離器６０は、コントローラ６によって読み取られ得る水位出力を提供するのに好適な１つ以上のセンサを含み得る。受信した水位信号に基づいて、コントローラ６は、分離器６０内の水位を所望のレベルに維持するために、弁６１を正しい間隔および持続時間で開くように指示し得る。測定は水位に関して言及されているが、体積、質量、または他のパラメータが、信号をコントローラ６に提供するために利用され得ることがわかる。
【0051】
燃焼室１０ａに送られた燃料を燃焼させるのに使用するための酸化剤は、弁１１１を通ってシステムに入り、ユニオン１１４を通過することができ、ここでＣＯ２が酸化剤と組み合わせられ得る。このことは、初期酸化剤源として使用される実質的に純粋な酸素流を希釈するのに有益であり得る。純粋でない酸素が酸化剤として使用される場合、弁１０３を通過するＣＯ２は、完全にまたは部分的に除去され得る。酸化剤流（任意に、ＣＯ２流で希釈される）は、加熱冷却器２２を通過し、圧縮機９０において加圧され、加熱冷却器２４を通過し、最後にポンプ８０を通過する。コントローラ８（酸化剤ポンプコントローラと特徴付けられ得る）は、燃料の質量流量（パラメータチェックポイント２６において読み取られる）と酸化剤の質量流量（パラメータチェックポイント８２において読み取られる）との比率を測定する。計算された比率に基づいて、コントローラ８は、可変速ポンプ８０に指示してポンプの動力を変化させ、正確な質量流量での酸化剤の供給を可能にして、必要な圧力で所望の酸化剤対燃料比を維持することができる。このことは、発電システムに供給される酸化剤の量が、デュアル燃焼器／タービン１０へ流入させるために一貫して正確な流量および正確な圧力で供給されることを確実にするための１つの制御レベルを提供することができる。例えば、パラメータチェックポイント８２における圧力が燃焼器／タービン１０からの背圧により上昇した場合、コントローラ８は、正しい圧力および酸化剤質量流量を生成するのに好適な異なる速度で動作するようにポンプ８０に命令するように構成され得る。パラメータチェックポイント９３で得られた圧力読取値に基づいて、コントローラ９（酸化剤圧力コントローラと特徴付けられ得る）は、より多い流体またはより少ない流体が圧縮機９０から上流側の点（特に、ユニオン１１４と加熱冷却器２２との間）にスピルバックする（または再循環される）ことを可能にすることによって、スピルバック弁９１に、パラメータチェックポイント９３における圧力を上昇または低下させるように指示し得る。同様に、パラメータチェックポイント１０２において圧力が監視され得る（この圧力は圧縮機９０の吸入に対応する）。この圧力に基づいて、コントローラ１００（酸化剤圧力コントローラと特徴付けられ得る）は、パラメータチェックポイント１０２において実質的に一定の圧力を維持するように、圧縮機３０の上流側の流体を全くユニオン１１４に迂回させない、または流体の一部をユニオン１１４に迂回させるように弁１０３に指示し得る。弁１０３を通って迂回された実質的に純粋なＣＯ２流は、酸化剤を希釈するために利用され得、コントローラ１００は、同様に、弁１０３を通る流れを増減させて所望の希釈を行うように構成され得る。弁１０３を通して供給されるＣＯ２流の質量流量は、パラメータチェックポイント１１３において測定され得、弁１１１を通して供給される酸化剤の質量流量は、パラメータチェックポイント１１２において測定され得る。コントローラ１１０（希釈コントローラと特徴付けられ得る）は、チェックポイント１１２、１１３における流量の比率を計算するように構成され得、確実に正確な比率を維持するために、より多くの酸化剤またはより少ない酸化剤をシステムに流入させることができるように弁１１１に指示するように構成され得る。
【0052】
１つ以上の実施形態では、本開示に係る制御システムは、特に、広範囲の圧力にわたって質量制御を行うように構成され得る。低圧質量制御（例えば、周囲圧力から約１０バールまで、約８バールまで、または約５バールまで）は、上記のコントローラ４の説明と同様に達成され得る。特に、コントローラ４は、発電システムからの過剰な質量を軽減するために弁４１を開閉するように構成され得る。例えば、再循環ＣＯ２流を作動流体として利用し、化石燃料を燃焼させるシステムでは、過剰なＣＯ２が生成され得る。システム内の正しい質量バランスを維持するために、生成されたＣＯ２の全てまたは一部が弁４１を通して取り除かれ得る。質量制御のために弁４１を通って引き込まれる流体の量は、燃焼反応の既知の化学量論に基づいて計算され得、コントローラ４は、それに応じて弁４１を通る質量流量を制御するように構成され得る。必要に応じて、１つ以上のセンサを利用して、燃焼器の下流側の流体質量を測定および／もしくは計算することができ、ならびに／または圧縮機３０および／もしくはポンプ２０の下流側の流れに対する燃焼器と弁４１との間の流れの流体質量比を測定および／もしくは計算することができる。
【0053】
発電プラントの要素を制御する際に使用するための上述のような制御要素は、Ｆｅｔｖｅｄｔらの米国特許第１０１０３７３７号にさらに記載されており、その開示内容は参照により本明細書に援用される。本明細書に記載されるような発電プラントの制御部材および他の構成部材ならびに動作方法は、同様に、本開示に従って利用され得る。
【0054】
本開示に従って有用である追加の制御要素およびシステム構成部材は、図２および図３にさらに例解されている。特に、図２および図３に示される様々な要素は、燃焼器出口流（すなわち、タービン入口流）の速度を、その速度が実質的に一定のまま維持され得るように正規化するのに有効であり得る。燃焼器と燃焼器のすぐ下流側にあるタービンとの間のこの体積流量は容易に測定することができないので、本開示は、１つ以上の流れの測定流量および／または圧力、１つ以上の定数、ならびにコンピュータ計算に基づく複数の入力に基づいて燃焼器排気流速度を計算するための間接的方法を利用することができる。その結果、燃焼器入口流（例えば、燃料流および酸化剤流の一方または両方）ならびに／または燃焼器出口流の体積流量が必要に応じて調整され得、そのことにより、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量は、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量の直接測定を必要とせずに、規定範囲内に制御され得る。燃焼器とタービンとの間の体積流量の規定範囲は、それらの間の体積流量が１０％以下、５％以下、２％以下、１％以下、または０．５％以下だけ変化するような範囲であり得る。
【0055】
したがって、制御要素は、燃焼器入口および／または出口流の体積流量を制御するための方法を提供する。実施形態例では、このような方法は、燃焼器に流入する１つ以上の流れ、燃焼器から流出する排気流、または燃焼器に流入する１つ以上の流れおよび燃焼器から流出する排気流の１つ以上のパラメータを示す１つ以上の信号をコントローラに提供することを含み得る。入力された信号を使用して、コントローラは、次いで、燃焼器入口または出口流の体積流量を調整するのに有効な係数を計算し得る。計算された係数は、コントローラによって提供される命令によって実装可能であり、システム内の１つ以上の流れに適用され得る種々の数値であり得る。計算された係数は、例えば、２つ以上の流れの質量流量間の比、２つ以上の流れの体積流量間の比率、２つ以上の流れの質量流量間の差、２つ以上の流れの体積流量間の差、２つ以上の流れの圧力間の差、流れ中に存在する一部分（例えば、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＨ４など）のモル含有量、および他の方法では直接測定できない流れの体積流量の制御を達成するために本明細書に記載されるような１つ以上の流れのパラメータの変化の基準として利用され得る同様の数値であり得る。したがって、この方法は、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量を直接測定せずに、燃焼器と燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量が規定範囲内で制御されるように、その係数を満たし、燃焼器入口および／または出口流の体積流量を調節するのに有効な１つ以上の出力信号をコントローラから出力することにつながり得る。
【0056】
このことにより、動作点を実質的に一定に保つことができるので、タービンの空力設計がより容易になり得る。より具体的には、本開示により、実質的に一定（例えば、±１０％、±５％、±２％、±１％、または±０．５％）の燃焼器排気流速度および／または流量を維持するために、燃焼器１０に流入する燃料流および酸化剤流の一方または両方の化学的性質を制御することができる。同様に、燃焼器入口流速度は、燃焼器に流入する流れの一部または全てに対して実質的に一定（例えば、±１０％、±５％、±２％、±１％、または±０．５％）に維持され得る。
【0057】
コントローラ２１０（燃焼器入口流量コントローラと特徴付けられ得る）は、発電プラント内のいくつかのセンサから信号を受信するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、燃焼器燃料ノズル１４１のような燃焼器燃料入口のすぐ上流側の点１４Ｂにおける燃料の質量流量に対応する信号を受信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、タービン１０ｂに流入する前に燃焼器から流出する燃焼器排気流１０ａ’’の圧力に対応する信号を受信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、燃焼器酸化剤ノズル１４２のような燃焼器酸化剤入口のすぐ上流側の点８０Ｂにおける酸化剤の圧力に対応する信号を受信するように構成され得る。したがって、コントローラ２１０は、様々なセンサ読取値を利用して、燃焼器１０ａへの実質的に一定の体積流量を維持するために利用され得る１つ以上の所望の設定値を決定することができる。このような設定値は、コントローラを使用して計算される係数の例である。
【0058】
いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、燃焼器１０ａに流入する酸化剤の体積流量を正規化するのに有用な係数を確立するための１つ以上の計算を実行するように構成され得る。計算は、全負荷条件での（例えば、燃料ノズル１４１を通過する際の）点１４Ｂにおける燃料流の質量流量、および全負荷での（例えば、酸化剤ノズル１４２を通過する際の）点８０Ｂと点１０ａ’’（すなわち、燃焼器排気流出口）との間の酸化剤の圧力差などの１つ以上の定数を組み込むことができる。「全負荷」または「全負荷動作」という用語は、燃焼器自体がその最大容量で動作している状態、および／またはより大きなシステム（例えば、本明細書内で別途記載されているような配電システム）がその最大容量または定格最大動作容量で動作している状態を意味すると理解される。例えば、発電システムが最大電気エネルギー出力を生成するように定格化されている場合、最大電気エネルギー出力を供給するような発電システムの動作は、全負荷動作と見なされる。したがって、コントローラ２１０は、制御関数においてこれらの値を利用して、点８０Ｂと点１０’’との間の差に対する所望の設定値が、以下の計算などによって決定され得る。
式中、ΔＳｅｔ－ｐｏｉｎｔは点８０Ｂと点１０’’との間の差の所望の設定値であり、Ｐ８０Ｂはノズル１４２内の測定圧力であり、Ｐ１０ａ’’は燃焼器排気流１０ａ’’の測定圧力であり、ΔＰＦｕｌｌ Ｌｏａｄは全負荷における点８０Ｂと点１０ａ’’との間の圧力差であり、
はノズル１４１における燃料流の質量流量であり、
は全負荷におけるノズル１４１における燃料流の質量流量である。
【数1】
【数2】
【数3】
【0059】
コントローラ２１０は、圧力入力を受信して、点８０Ｂにおける酸化剤圧力と点１０ａ’’における燃焼器排気流圧力との間の圧力差の測定を可能にし、設定値と比較するためのプロセス値を決定し得る。コントローラ２１０からのコントローラ出力は、コントローラ１１０に送信されて新しい設定値として使用され得る。このような設定値は、コントローラを使用して計算される係数の一例であり、計算された係数は、燃焼器に流入する酸化剤流の体積流量を調整するのに有効である実行可能な命令である。
【0060】
このようにして、計算され得る１つの係数は、燃焼器に送られる酸化剤流中のＯ２対ＣＯ２の比率を調整するのに有用な係数である。例えば、図２を参照すると、係数は、特に、点１０２におけるＯ２対ＣＯ２の比率が必要に応じて調整され得るように使用され得る。しかしながら、燃焼器から上流側であるが、ＣＯ２が酸化剤流に注入され得る点から下流側にある任意の点において、酸化剤流に対して調整を行うことができることがわかる。測定可能なパラメータの関数に基づいてこの制御を実行する際、酸化剤ノズルから流出して燃焼ゾーン１０ａ’に流入する流れ８０Ｂの体積流量は、実質的に一定（例えば、+/-１０％、+/-５％、+/-２％、+/-１％、または+/-０．５％）である。これは、燃焼ゾーン／火炎ゾーン１０ａ’の安定性にとって非常に有益である。加えて、酸化剤流が燃焼ゾーン／火炎ゾーン１０ａ’に流入するときに、点８０Ｂにおける酸化剤流の体積流量を変更することが望ましい場合があり、コントローラ２１０によって使用される関数の変更により、そのようなレベルの制御が可能になる。
【0061】
さらなるセンサからの他の信号または入力を、制御関数に含めるためにコントローラ２１０に送ることができる。このことにより、酸化剤ノズル１４２を通じる圧力降下を変更して、現在の動作点を前提とした動作特性および所望の流れに基づいて燃焼ゾーン／火炎ゾーン１０ａ’に流入する体積流量を変化させることができる。
【0062】
１つ以上の実施形態では、制御関数は、追加的にまたは代替的に、燃焼器１０ａに流入する燃料の体積流量を正規化するなど、燃焼器１０ａへの燃料体積流量に対して同様の制御を行うために利用され得る。例えば、コントローラ１５０は、燃焼器排気流１０ａ’’の圧力に対応する信号を受信するように構成され得、同様に、コントローラ１５０は、燃料ノズルを通じる圧力降下を計算するために、（例えば、燃料ノズル１４１に流入および／または通過する際の）点１４Ｂにおける燃料流の圧力に対応する信号を受信するように構成され得る。これらの値および潜在的な他のパラメータは、コントローラ１５０によって使用されて、例えば以下の計算を使用して、燃料ノズル１４１を通じる圧力降下の設定値が決定され得る。
式中、ΔＳｅｔ－ｐｏｉｎｔは点１４Ｂと点１０’’との間の差の所望の設定値であり、Ｐ１４Ｂはノズル１４１内の測定圧力であり、Ｐ１０ａ’’は燃焼器排気流１０ａ’’の測定圧力であり、ΔＰＦｕｌｌ Ｌｏａｄは全負荷における点１４Ｂと点１０ａ’’との間の圧力差である。
【数4】
【0063】
したがって、コントローラ１５０からの出力は、ＣＯ２を希釈剤として燃料ラインに添加する弁１４５を制御するために使用され得る。図２に示すように、ＣＯ２は、タービン１０ｂの出口と水分離器６０の入口との間、好ましくは熱交換器５０と水分離器６０との間の点から取り出されるように、ライン１０１ａから添加され得る。あるいは、ＣＯ２は、ポンプ２０と燃焼器１０ａの入口または熱交換器５０への入口との間の点においてライン１０１ｂから取り出され、圧縮機１４０の下流側の燃料ラインに添加されてもよい。図２では、このことは、圧縮機１４０と弁１４との間に添加されるものとして示されているが、その流れは、弁１４と燃焼器１０ａとの間（すなわち、弁１４の上流側または弁１４の下流側）に添加されてもよいことがわかる。同様に、ＣＯ２が取り出される場所の圧力と同様の圧力でＣＯ２を注入することが有用であるという認識の下で、燃料ラインへの注入は、圧縮機１４０の下流側で注入されるのではなく、圧縮機１４０の上流側で行われてもよい（例えば、圧縮機３０および／またはポンプ２０の上流側で取り出される場合は圧縮機１４０の上流側で注入されるが、ポンプ２０の下流側で取り出される場合は圧縮機１４０の下流側で注入される）。このＣＯ２の添加は、燃料のウォッベ指数の変化に影響し、このことは、所与の動力レベルを維持するために制御弁１４の変更を強いるので、従来の教示および用途に反する。燃料流中のＣＯ２対燃料の比率は、燃焼器に流入する流れの体積流量を調整するのに有効であり得るさらに別の係数の一例である。酸化剤流と同様に、追加の制御関数は、燃料が燃料ノズル１４１から燃焼ゾーン１０ａ’に流入するときの燃料の体積流量を実質的に一定（例えば、+/-１０％、+/-５％、+/-２％、+/-１％、または+/-０．５％）に維持するのに有効であり得る。同様に、燃料が燃焼ゾーンに流入するときに体積流量に影響を与えるように燃料に添加されるＣＯ２の量を制御するために、他のパラメータおよびセンサ入力を関数に含めることができる。このようにして、火炎ゾーンに対する特性および影響を制御および操作して、所望の結果を達成することができる。
【0064】
上記説明および関連図面において提示される教示の恩恵を享受する、本開示の主題に関係する当業者は、本開示の主題の多くの修正および他の実施形態を思い付くであろう。したがって、本開示は、本明細書に記載されている特定の実施形態に限定されず、修正および他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書では特定の用語が使用されているが、これらの用語は、一般的かつ説明的な意味で使用されており、制限することを意図するものではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2023-03-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼器入口または出口流の体積流量を制御するための方法であって、前記方法は、１つ以上の信号をコントローラに提供することであって、前記１つ以上の信号は、燃焼器に流入する酸化剤流および前記燃焼器に流入する燃料流のうちの一方または両方のうちの１つ以上のパラメータを示すことと、
前記コントローラを使用して、前記燃焼器に流入する酸化剤流および前記燃焼器に流入する燃料流の一方または両方の体積流量を正規化するのに有効な係数を計算することであって、計算される係数は、前記燃焼器に流入する酸化剤流中の酸素対二酸化炭素の比率および前記燃焼器に流入する燃料流中の燃料対二酸化炭素の比率の一方または両方を調整するために少なくとも使用されることと、
前記燃焼器と前記燃焼器のすぐ下流側のタービンとの間の体積流量を直接測定せずに、前記燃焼器と前記燃焼器のすぐ下流側の前記タービンとの間の体積流量が規定範囲内で制御されるように、前記係数を満たし、前記燃焼器に流入する酸化剤流および前記燃焼器に流入する燃料流の一方または両方の体積流量を調節するのに有効な１つ以上の出力信号を前記コントローラから出力することと、
を含む、方法。
【請求項2】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の点における前記燃料流の質量流量に対応する信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号を提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
１つ以上の信号を前記コントローラに提供することは、前記燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における前記酸化剤流の圧力に対応する信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記計算することは、前記燃焼器の全負荷運転に必要とされる前記燃焼器への燃料入口のすぐ上流側の前記燃料流の質量流量である定数に少なくとも部分的に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記計算することは、前記燃焼器への酸化剤入口のすぐ上流側の点における前記酸化剤流の圧力と前記燃焼器から流出する排気流の圧力との差である定数に少なくとも部分的に基づき、前記圧力は、前記燃焼器の全負荷運転に必要な圧力である、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記コントローラは、前記燃焼器に入る燃料ノズルを通じる圧力降下を計算するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記燃料ノズルを通じる圧力降下は、少なくとも、前記燃焼器から流出する排気流の圧力に対応する信号と、前記燃料ノズルに流入する前記燃料流の圧力に対応する信号とに基づいて計算される、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
発電のための方法であって、前記方法は、燃焼器排気流を形成するために二酸化炭素希釈剤の存在下において前記燃焼器内で燃料が酸化剤と共に燃焼されるように、前記燃焼器に複数の流れを流入させることと、
前記燃焼器排気流をタービン内で膨張させて、所望の出力で動力を発生させ、タービン排気流を生成することと、
前記タービン排気流を処理して、前記タービン排気流から二酸化炭素を分離し、前記二酸化炭素希釈剤を生成することと、
前記タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに前記燃焼器に流入する複数の流れの総体積流量が１０％以下だけ変化するように、前記タービンによって発生した動力の所望の出力が増減するときに前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することと、
を含む、方法。
【請求項10】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記タービンによって発生した動力の所望の出力の増減を示す１つ以上の制御入力をコントローラに入力することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記燃焼器に複数の流れを流入させることは、燃料流を前記燃焼器に流入させることを含み、前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器への燃料流の入口のすぐ上流側の点における前記燃料流の質量流量に対応する信号をコントローラに入力することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項12】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器から上流側の前記燃料流への前記二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号を前記コントローラから出力することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記燃焼器に複数の流れを流入させることは、酸化剤流を前記燃焼器に流入させることを含み、前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器への酸化剤流の入口のすぐ上流側の点における前記酸化剤流の圧力に対応する信号をコントローラに入力することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項14】
前記燃焼器に流入する複数の流れのうちの少なくとも１つの流れの化学的性質を改変することは、前記燃焼器から上流側の前記酸化剤流への前記二酸化炭素希釈剤の流れを増減させるのに有効な信号を前記コントローラから出力することを含む、請求項１３に記載の方法。
【国際調査報告】