特表2015-536399(P2015-536399A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(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】特表2015-536399(P2015-536399A)
(43)【公表日】2015年12月21日
(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器制御システム
(51)【国際特許分類】
   F02C 6/04 20060101AFI20151124BHJP
   F02C 6/00 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 9/28 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 6/18 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 9/00 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 9/16 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 3/34 20060101ALI20151124BHJP
   F02C 3/30 20060101ALI20151124BHJP
   F23R 3/00 20060101ALI20151124BHJP
   G01N 21/3504 20140101ALI20151124BHJP
【FI】
   F02C6/04
   F02C6/00 E
   F02C9/28 Z
   F02C6/18 A
   F02C9/00 B
   F02C9/16 A
   F02C9/16 Z
   F02C9/28 C
   F02C3/34
   F02C3/30 D
   F23R3/00 B
   G01N21/3504
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】53
(21)【出願番号】特願2015-540788(P2015-540788)
(86)(22)【出願日】2013年10月31日
(85)【翻訳文提出日】2015年6月9日
(86)【国際出願番号】US2013067824
(87)【国際公開番号】WO2014113120
(87)【国際公開日】20140724
(31)【優先権主張番号】61/722,118
(32)【優先日】2012年11月2日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/722,115
(32)【優先日】2012年11月2日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/722,114
(32)【優先日】2012年11月2日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/722,111
(32)【優先日】2012年11月2日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/747,194
(32)【優先日】2012年12月28日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】14/066,551
(32)【優先日】2013年10月29日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】500450727
【氏名又は名称】エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100092093
【弁理士】
【氏名又は名称】辻居 幸一
(74)【代理人】
【識別番号】100082005
【弁理士】
【氏名又は名称】熊倉 禎男
(74)【代理人】
【識別番号】100088694
【弁理士】
【氏名又は名称】弟子丸 健
(74)【代理人】
【識別番号】100103609
【弁理士】
【氏名又は名称】井野 砂里
(74)【代理人】
【識別番号】100095898
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 満
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(72)【発明者】
【氏名】ミント カール ディーン
【テーマコード(参考)】
2G059
【Fターム(参考)】
2G059AA01
2G059BB01
2G059CC04
2G059CC05
2G059CC06
2G059EE07
2G059HH01
2G059HH02
2G059JJ01
(57)【要約】
1つの実施形態において、ガスタービンシステムは、タービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、タービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及び量論的燃料−酸化剤比に基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内での排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成されたコントローラを含む。
【選択図】 図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスタービンシステムであって、
1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
1又は2以上のプロセッシングデバイスであって、前記1又は2以上の命令セットを実行して、
前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
少なくとも前記燃料組成情報及び前記酸化剤組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、
前記酸化剤流れ情報、目標当量比、及びFORSTを用いて前記タービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、を有するコントローラを備えた、
ことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項2】
前記タービン燃焼器に前記酸化剤の流れを送給するよう構成された酸化剤流路と、
前記酸化剤流路に沿って配置された酸素センサと、を備え、
前記酸素センサが、前記コントローラに通信可能に結合され、前記酸素センサが、前記酸化剤組成情報を決定するよう構成されている、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項3】
前記酸化剤組成情報が、前記酸化剤中の酸素濃度を含む、
請求項2に記載のガスタービンシステム。
【請求項4】
前記酸化剤流路に沿って配置された酸化剤流量計を備え、前記酸化剤流量計が、前記コントローラに通信可能に結合され、前記酸化剤流量計が、前記酸化剤流れ情報を決定するよう構成されている、
請求項2に記載のガスタービンシステム。
【請求項5】
前記酸化剤流れ情報が、前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れの流量を含む、
請求項4に記載のガスタービンシステム。
【請求項6】
前記タービン燃焼器に前記燃料の流れを送給するよう構成された燃料流路と、
前記燃料流路から前記燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムと、を備え、
前記燃料分析システムが、前記コントローラに通信可能に結合され、前記燃料分析システムが、前記燃料組成情報を決定するよう構成されている、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項7】
前記燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外/可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項6に記載のガスタービンシステム。
【請求項8】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記FORST及び前記目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、前記FORREFを使用してフィードフォワード成分を生成するよう構成されており、前記フィードフォワード成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
請求項6に記載のガスタービンシステム。
【請求項9】
前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
請求項8に記載のガスタービンシステム。
【請求項10】
前記フィードフォワード成分が、前記1又は2以上の命令セットの実行を介して、前記酸化剤流れ情報とFORREFを乗算することによって生成される、
請求項8に記載のガスタービンシステム。
【請求項11】
燃料流れ制御システムを備え、前記燃料流れ制御部が少なくとも1つの酸化剤流れ制御バルブを含み、該少なくとも1つの酸化剤流れ制御バルブが、前記制御信号に応答して該バルブの位置を調整するよう構成されている、
請求項8に記載のガスタービンシステム。
【請求項12】
前記タービン燃焼器内での前記燃料及び酸化剤の燃焼によって生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
前記排気ガス流路が、
前記燃焼生成物から仕事を抽出して前記ガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ前記排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
前記ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、前記タービンからの前記排気ガスを加圧して前記タービン燃焼器内で使用する排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
前記タービンと前記排気ガス圧縮機との間で前記排気ガス流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合されて前記排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている1又は2以上の排気ガスセンサと、を有し、
前記プロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記排気ガス組成情報及び前記目標当量比を用いてフィードバック成分を生成するよう構成され、前記フィードバック成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項13】
前記排気ガス組成情報が、前記排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項12に記載のガスタービンシステム。
【請求項14】
前記フィードバック制御成分が、前記1又は2以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして前記目標当量比とプロセス値として前記排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することにより生成される、
請求項12に記載のガスタービンシステム。
【請求項15】
前記排気ガスの測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
請求項12に記載のガスタービンシステム。
【請求項16】
前記フィードバック成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
請求項12に記載のガスタービンシステム。
【請求項17】
前記1又は2以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項12に記載のガスタービンシステム。
【請求項18】
前記目標当量比が、約0.95〜約1.05の燃料/酸化剤である、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項19】
前記タービン燃焼器が、前記酸化剤の流れ、前記燃料の流れ、及び排気ガス希釈剤の流れを受け取るように構成されており、前記ガスタービンシステムが更に、前記タービン燃焼器に結合され、前記排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとして前記タービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項20】
前記下流側プロセスが、原油二次回収(EOR)システムを含む、
請求項19に記載のガスタービンシステム。
【請求項21】
前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤に関する流れ情報を決定するよう構成された排気ガス抽出流量計と、
前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤の量を少なくとも部分的に調整するよう構成された排気ガス抽出流れ制御バルブと、を備えている、
請求項19に記載のガスタービンシステム。
【請求項22】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記酸化剤の流れに応じて前記燃料の流れを制御し、前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、
請求項1に記載のガスタービンシステム。
【請求項23】
ガスタービンシステムであって、
排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、
前記タービン燃焼器に酸化剤流量にて前記酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、
前記タービン燃焼器に燃料流量にて前記燃料を送給するよう構成された燃料流路と、を備え、
前記燃料流路が、1又は2以上の制御信号に応じて前記燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、
前記ガスタービンシステムが更に、
前記流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、
前記コントローラが、
1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記燃料流れ制御システムに前記1又は2以上の制御信号を提供するよう構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、を有し、前記1又は2以上の制御信号が、前記燃焼器への燃料流量を制御して、前記目標当量比での前記タービン燃焼器における燃焼を可能にし、前記1又は2以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む、
ことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項24】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記燃料の組成、前記酸化剤の組成、及び前記酸化剤の流量に少なくとも基づいて前記フィードフォワード成分を決定するよう構成されている、
請求項23に記載のガスタービンシステム。
【請求項25】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、
前記酸化剤に関する酸化剤組成情報及び前記燃料に関する燃料組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、
前記FORST及び前記目標当量比に基づいて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、
前記FORREF及び前記酸化剤流量を用いて前記フィードフォワード成分を生成する、
ことによって前記フィードフォワード成分を生成するよう構成されている、
請求項24に記載のガスタービンシステム。
【請求項26】
前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
請求項25に記載のガスタービンシステム。
【請求項27】
前記燃料流路から前記燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムを備え、前記燃料分析システムが、前記燃料組成情報を決定するよう構成されている、
請求項25に記載のガスタービンシステム。
【請求項28】
前記燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外/可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項27に記載のガスタービンシステム。
【請求項29】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、
前記排気ガス希釈剤の目標当量比及び測定した当量比に基づいて偏差を決定し、
前記偏差を入力として用いて比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することにより前記フィードバック成分を生成する、
ことによって前記フィードバック成分を決定するよう構成されている、
請求項23に記載のガスタービンシステム。
【請求項30】
前記タービン燃焼器内で生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
前記排気ガス流路が、
前記燃焼生成物から仕事を抽出して前記ガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ前記排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
前記ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、前記タービンからの前記排気ガスを加圧して排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
前記タービンと前記排気ガス圧縮機との間で前記排気ガス流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合されて前記排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている1又は2以上の排気ガスセンサと、を有し、
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記排気ガス組成情報から前記排気ガスの測定した当量比を決定する、
請求項29に記載のガスタービンシステム。
【請求項31】
前記排気ガス組成情報が、前記排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項30に記載のガスタービンシステム。
【請求項32】
前記排気ガス希釈剤の測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
請求項30に記載のガスタービンシステム。
【請求項33】
前記フィードバック成分が、前記燃料流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
請求項30に記載のガスタービンシステム。
【請求項34】
前記1又は2以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項30に記載のガスタービンシステム。
【請求項35】
前記目標当量比が、約0.95〜約1.05の燃料/酸化剤である、
請求項23に記載のガスタービンシステム。
【請求項36】
前記タービン燃焼器に結合され、前記排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとして前記タービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、
請求項23に記載のガスタービンシステム。
【請求項37】
前記下流側プロセスが、原油二次回収(EOR)システムを含む、
請求項36に記載のガスタービンシステム。
【請求項38】
前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤に関する流れ情報を決定するよう構成された排気ガス抽出流量計と、
前記排気ガス抽出流路に沿って配置され、前記コントローラに通信可能に結合され、前記タービン燃焼器から抽出された排気ガス希釈剤の量を少なくとも部分的に調整するよう構成された排気ガス抽出流れ制御バルブと、を備えている、
請求項36に記載のガスタービンシステム。
【請求項39】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記酸化剤の流れに応じて前記燃料の流れを制御し、前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、
請求項23に記載のガスタービンシステム。
【請求項40】
1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体であって、前記1又は2以上の命令セットは、前記1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、
前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
前記ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
前記燃料組成情報及び前記酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、
前記FORST及び前記目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、
前記酸化剤流れ情報及びFORREFに基づいて前記タービン燃焼器への燃料の流れを制御して、前記タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で前記燃料と前記酸化剤との間の前記目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ようになっている、
ことを特徴とする1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体。
【請求項41】
前記酸化剤組成情報が、前記酸化剤中の酸素濃度を含む、
請求項40に記載の媒体。
【請求項42】
前記酸化剤流れ情報が、前記タービン燃焼器への前記酸化剤の流れの流量を含む、
請求項40に記載の媒体。
【請求項43】
前記1又は2以上の命令セットが、前記1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、前記酸化剤流れ情報及びFORREFを用いてフィードフォワード成分を生成するようになっており、前記フィードフォワード成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
請求項40に記載の媒体。
【請求項44】
前記フィードフォワード成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、
請求項43に記載の媒体。
【請求項45】
前記フィードフォワード成分が、前記1又は2以上の命令セットの実行を介して、前記酸化剤流れ情報とFORREFを乗算することによって生成される、
請求項43に記載の媒体。
【請求項46】
前記1又は2以上のプロセッシングデバイスが、前記1又は2以上の命令セットを実行して、前記再循環排気ガス及び前記目標当量比に関する排気ガス組成情報を用いてフィードバック成分を生成するよう構成されており、前記フィードバック成分が、前記燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、
請求項40に記載の媒体。
【請求項47】
前記排気ガス組成情報が、前記再循環排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、
請求項46に記載の媒体。
【請求項48】
前記フィードバック制御成分が、前記1又は2以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして前記目標当量比とプロセス値として前記再循環排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することにより生成される、
請求項46に記載の媒体。
【請求項49】
前記再循環排気ガスの測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと前記排気ガス組成情報を比較することにより生成される、
請求項48に記載の媒体。
【請求項50】
前記フィードバック成分が、前記タービン燃焼器への前記燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するように前記タービン燃焼器への前記燃料の流れを調整するよう構成されている、
請求項46に記載の媒体。
【請求項51】
前記目標当量比が、約0.95〜約1.05の燃料/酸化剤である、
請求項40に記載の媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
(関連出願の相互参照)
本出願は、2013年10月29日出願の名称が「GAS TURBINE COMBUSTOR CONTROL SYSTEM」である米国特許本出願第14/066,551号、2012年12月28日出願の名称が「GAS TURBINE COMBUSTOR CONTROL SYSTEM」である米国特許仮出願第61/747,194号、2012年11月2日出願の名称が「SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM」である米国特許仮出願第61/722,118号、2012年11月2日出願の名称が「SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITH FUEL−DILUENT MIXING IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM」である米国特許仮出願第61/722,115号、2012年11月2日出願の名称が「SYSTEM AND METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION WITH OXIDANT−DILUENT MIXING IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEM」である米国特許仮出願第61/722,114号、及び2012年11月2日出願の名称が「SYSTEM AND METHOD FOR LOAD CONTROL WITH DIFFUSION COMBUSTION IN A STOICHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION GAS TURBINE SYSTEMである米国特許仮出願第61/722,111号に対して優先権及び利益を主張し、これら特許出願の全ては、引用により全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ガスタービンエンジンは、発電、航空機、及び種々の機械装置など、幅広い種類の用途で使用されている。ガスタービンエンジンは、一般に、燃焼器セクションにおいて酸化剤(例えば、空気)と共に燃料を燃焼させて高温の燃焼生成物を発生し、これによりタービンセクションの1又は2以上のタービン段を駆動する。次いで、タービンセクションは、圧縮機セクションの1又は2以上の圧縮機段を駆動し、これにより燃料と共に燃焼器セクションに吸入するため酸化剤を圧縮する。この場合も同様に、燃料及び酸化剤は、燃焼器セクションにおいて混合され、次いで、燃焼して高温の燃焼生成物を生成する。一般に、燃焼生成物中の特定のガス(例えば、窒素酸化物(NOx)及び二酸化炭素(CO2))の相対的レベルのような燃焼生成物の性質は、燃焼プロセスにおいて使用される燃料対酸化剤の比の影響を受ける場合がある。残念ながら、この特定の比は、燃焼生成物中の過剰なレベルの酸素をもたらす場合があり、ガスタービンシステム及び下流側構成要素に好ましくない影響を及ぼす恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【0004】
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本開示は、以下に記載した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
【0005】
1つの実施形態において、ガスタービンシステムは、1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、1又は2以上の命令セットを実行して、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及びFORSTに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、を有するコントローラを含む。
【0006】
別の実施形態において、ガスタービンシステムは、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、タービン燃焼器に酸化剤流量にて酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、タービン燃焼器に燃料流量にて燃料を送給するよう構成された燃料流路と、を備え、燃料流路が、1又は2以上の制御信号に応じて燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、ガスタービンシステムが更に、流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、コントローラが、1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、1又は2以上の命令セットを実行して、燃料流れ制御システムに1又は2以上の制御信号を提供するよう構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、を含み、1又は2以上の制御信号が、燃焼器への燃料流量を制御して、目標当量比でのタービン燃焼器における燃焼を可能にし、1又は2以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む。
【0007】
別の実施形態において、1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体が提供され、1又は2以上の命令セットは、1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、FORST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、酸化剤流れ情報及びFORREFに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で燃料と酸化剤との間の目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ようになっている。
【0008】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の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、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】炭化水素生成システムに結合されたタービンベースのサービスシステムを有するシステムの1つの実施形態の概略図である。
図2】制御システム及び複合(コンバインド)サイクルシステムを更に示す、図1のシステムの1つの実施形態の概略図である。
図3】ガスタービンエンジン、排気ガス供給システム、及び排気ガス処理システムの詳細を更に示す、図1及び2のシステムの1つの実施形態の概略図である。
図4図1〜3のシステムを作動させるプロセスの1つの実施形態のフローチャートである。
図5図1〜3のシステムのプロセスストリームに関する組成及び流れ情報を決定するよう構成された制御システム、燃料分析システム、及び種々のセンサの詳細を更に示す1つの実施形態の概略図。
図6図5の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの1つの実施形態のフローチャート。
図7図5の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの1つの実施形態のフローチャート。
図8図5の当量比制御システムを作動させるための制御入力を決定するプロセスの1つの実施形態のフローチャート。
図9図1〜3及び5のガスタービンシステムの作動中に発生する排気ガスに関する測定値とモデル化値の組み合わせを用いて測定当量比を決定するためのプロセスの1つの実施形態の図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の1又は2以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行う取り組みの一環として、本明細書では、実際の実施構成の全ての特徴については説明しない場合がある。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。その上、このような開発の取り組みは、複雑で多大な時間を必要とする場合があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【0011】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「a」、「an」、「the」、及び「said」は、要素の1つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【0012】
以下で詳細に検討されるように、開示される実施形態は、全体的に、排気ガス再循環(EGR)を備えたガスタービンシステムに関し、より詳細には、EGRを用いたガスタービンシステムの量論的作動に関する。例えば、ガスタービンシステムは、排気ガス再循環経路に沿って排気ガスを再循環させ、再循環された排気ガスの少なくとも一部と共に燃料及び酸化剤を量論的に燃焼させて、様々な目標システムにおいて使用するために排気ガスを取り込むよう構成することができる。加えて、燃料及び酸化剤の燃焼が実施される化学量論比は、フィードフォワード及びフィードバック機構の両方に基づいて制御することができる。特定の実施形態において、フィードフォワード機構は、燃料及び酸化剤の組成、ガスタービンシステムへの燃料及び/又は酸化剤の現在の流量、及び望ましい量論的燃空比に基づくことができる。一部の実施形態において、フィードバック機構は、再循環排気ガスの測定した組成に基づくことができる。制御システムは、フィードフォワード機構、フィードバック機構、又はこれらの組み合わせを利用して、排気ガス中の二酸化炭素(CO2)のより高いレベルを達成するなど、排出における望ましい組成を達成するようにガスタービンシステムへの燃料及び/又は酸化剤の流量を制御することができる。
【0013】
燃料及び/又は酸化剤の流量を制御することに加えて、量論的燃焼と共に排気ガスを再循環することによって、排気ガス中の二酸化炭素(CO2)の濃度レベルを上昇させるのに役立ち、種々の目標システムで使用するためにCO2及び窒素(N2)を分離及び精製するよう後処理することができる。ガスタービンシステムはまた、排気ガス再循環経路に沿って種々の排気ガスプロセス(例えば、熱回収、触媒反応、その他)を利用し、これによりCO2の濃度レベルを上昇させ、他のエミッション(例えば、一酸化炭素、窒素酸化物、酸素、及び未燃炭化水素)の濃度レベルを低下させ、エネルギー回収(例えば、熱回収ユニットを用いて)を向上させることができる。
【0014】
図1は、タービンベースのサービスシステム14に関連する炭化水素生成システム12を有するシステム10の1つの実施形態の概略図である。以下でより詳細に検討するように、タービンベースのサービスシステム14の種々の実施形態は、電力、機械出力、及び流体(例えば、排気ガス)などの種々のサービスを炭化水素生成システム12に提供し、オイル及び/又はガスの生成又は取り出しを促進するよう構成される。図示の実施形態において、炭化水素生成システム12は、オイル/ガス抽出システム16及び原油二次回収(EOR)システム18を含み、これらは、地下リザーバ20(例えば、オイル、ガス、又は炭化水素リザーバ)に結合される。オイル/ガス抽出システム16は、オイル/ガス井戸26に結合された様々な坑外設備(クリスマスツリー又は生成ツリー24など)を含む。更に、井戸26は、地中32にある掘削ボア30を通って地下リザーバ20まで延びる1又は2以上の管体28を含むことができる。ツリー24は、地下リザーバ20との間で圧力を調節し流れを制御する、1又は2以上のバルブ、チョーク、分離スリーブ、噴出防止装置、及び種々の流れ制御装置を含む。ツリー24は、一般に、地下リザーバ20の外への生産流体(例えば、オイル又はガス)の流れを制御するのに使用されるが、EORシステム18は、1又は2以上の流体を地下リザーバ20内に注入することによりオイル又はガスの生産を増大させることができる。
【0015】
従って、EORシステム18は、地中32にあるボア38を通って地下リザーバ20内に延びる1又は2以上の管体36を有する流体注入システム34を含むことができる。例えば、EORシステム18は、1又は2以上の流体40(ガス、蒸気、水、化学物質、又はこれらの何らかの組み合わせ)を流体注入システム34に送ることができる。例えば、以下でより詳細に検討するように、EORシステム18は、タービンベースのサービスシステム14に結合され、その結果、システム14は、排気ガス42(例えば、実質的に又は完全に酸素を伴わない)をEORシステム18に送り、注入流体40として用いることができるようになる。流体注入システム34は、矢印44で示されるように、流体40(例えば、排気ガス42)を、1又は2以上の管体36を通して地下リザーバ20に送る。注入流体40は、オイル/ガス井戸26の管体28からオフセット距離46だけ離れた管体36を通って地下リザーバ20に流入する。従って、注入流体40は、地下リザーバ20内に配置されたオイル/ガス48を移動させ、矢印50で示されるように、オイル/ガス48を炭化水素生成システム12の1又は2以上の管体28を通って上方に送り出す。以下でより詳細に検討するように、注入流体40は、炭化水素生成システム12によって必要に応じて施設内で排気ガス42を発生させることができるタービンベースのサービスシステム14から生じた排気ガス42を含むことができる。換言すると、タービンベースのシステム14は、1又は2以上のサービス(例えば、電力、機械出力、蒸気、水(例えば、脱塩水)と、炭化水素生成システム12が使用する排気ガス(例えば、実質的に酸素を伴わない)とを同時に発生させ、これによりこのようなサービスの外部供給源への依存を低減又は排除することができる。
【0016】
図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム14は、量論的排気ガス再循環(SEGR)ガスタービンシステム52及び排気ガス(EG)プロセスシステム54を含む。ガスタービンシステム52は、燃料希薄制御モード又は燃料リッチ制御モードのような、量論的燃焼運転モード(例えば、量論的制御モード)及び非量論的燃焼運転モード(例えば、非量論的制御モード)で作動するよう構成することができる。量論的制御モードにおいては、燃焼は、全体的に、燃料及び酸化剤の実質的に化学量論比で生じ、これにより実質的に量論的燃焼を生じることになる。詳細には、量論的燃焼は、一般に、燃焼生成物が実質的に又は完全に未燃燃料及び酸化剤を含まないように、燃焼反応において燃料及び酸化剤の実質的に全てを消費することを伴う。量論的燃焼の1つの尺度は、当量比すなわちファイ(Φ)であり、量論的燃料/酸化剤比に対する実際の燃料/酸化剤比の割合である。1.0よりも大きい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料リッチ燃焼をもたらし、他方、1.0よりも小さい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料希薄燃焼をもたらす。対照的に、当量比1.0は、燃料リッチでもなく燃料希薄でもない燃焼をもたらし、従って、燃焼反応において燃料及び酸化剤の全てを実質的に消費する。開示された実施形態の文脈において、用語「量論的」又は「実質的に量論」とは、約0.95〜約1.05の当量比を指すことができる。しかしながら、開示された実施形態はまた、当量比1.0±0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、又はそれ以上を含むことができる。この場合も同様に、タービンベースのサービスシステム14における燃料及び酸化剤の量論的燃焼は、残存する未燃燃料又は酸化剤が実質的に存在しない燃焼生成物又は排気ガス(例えば、42)をもたらすことができる。例えば、排気ガス42は、1、2、3、4、又は5容積パーセント未満の酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、排気ガス42は、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)未満の酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。しかしながら、開示された実施形態はまた、排気ガス42中の他の範囲の残留燃料、酸化剤、及び他のエミッションレベルを生成する。本明細書で使用される場合、用語「エミッション」、「エミッションレベル」、及び「エミッション目標」は、特定の燃焼生成物(例えば、NOx、CO、SOx、O2、N2、H2、HCs、その他)の濃度レベルを指すことができ、これらは、再循環されたガスストリーム、放出されたガスストリーム(例えば、大気中に排出された)、及び種々の目標システム(例えば、炭化水素生成システム12)において使用されるガスストリーム中に存在することができる。
【0017】
SEGRガスタービンシステム52及びEGプロセスシステム54は、異なる実施形態において様々な構成要素を含むことができるが、図示のEGプロセスシステム54は、熱回収蒸気発生器(HRSG)56及び排気ガス再循環(EGR)システム58を含み、これらは、SEGRガスタービンシステム52から生じた排気ガス60を受け取って処理する。HRSG56は、1又は2以上の熱交換器、凝縮器、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらはまとめて、排気ガス60からの熱を水ストリームに伝達して蒸気62を発生させるよう機能する。蒸気62は、1又は2以上の蒸気タービン、EORシステム18、又は炭化水素生成システム12の他の何れかの部分において用いることができる。例えば、HRSG56は、低圧、中圧、及び/又は高圧の蒸気62を生成することができ、これらは、低圧、中圧、及び高圧蒸気タービン段又はEORシステム18の異なる用途に選択的に適用することができる。蒸気62に加えて、脱塩水のような処理水64は、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEGプロセスシステム54又はSEGRガスタービンシステム52の別の部分によって生成することができる。処理水64(例えば、脱塩水)は、内陸又は砂漠地帯などの水不足の領域において特に有用とすることができる。処理水64は、SEGRガスタービンシステム52内で燃料の燃焼を生じる大量の空気によって少なくとも部分的に生成することができる。蒸気62及び水64の施設内での生成は、多くの用途(炭化水素生成システム12を含む)で有益であるが、排気ガス42、60の施設内での生成は、SEGRガスタービンシステム52から生成される低酸素含有、高圧及び熱に起因して、EORシステム18に特に有益とすることができる。従って、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEGプロセスシステム54の別の部分は、排気ガス66をSEGRガスタービンシステム52に出力又は再循環できると同時に、排気ガス42を炭化水素生成システム12と共に使用するためにEORシステム18に送ることができる。同様に、排気ガス42は、炭化水素生成システム12のEORシステム18にて使用するためにSEGRガスタービンシステム52から直接(すなわち、EGプロセスシステム54を通過することなく)抽出することができる。
【0018】
排気ガス再循環は、EGプロセスシステム54のEGRシステム58により取扱われる。例えば、EGRシステム58は、1又は2以上の導管、バルブ、ブロア、排気ガスプロセスシステム(例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はこれらの組み合わせ)、及び制御部を含み、排気ガス再循環経路に沿ってSEGRガスタービンシステム52の出力(例えば、排出された排気ガス60)から入力(例えば、吸入された排気ガス66)まで排気ガスを再循環するようにする。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、1又は2以上の圧縮機を有する圧縮機セクションに排気ガス66を吸入させ、これにより排気ガス66を圧縮して、酸化剤68及び1又は2以上の燃料70の吸入と共に燃焼器セクションにおいて使用する。酸化剤68は、周囲空気、純酸素、酸素富化空気、貧酸素空気、酸素−窒素混合気、又は燃料70の燃焼を促進する何らかの好適な酸化剤を含むことができる。燃料70は、1又は2以上のガス燃料、液体燃料、又は何らかのこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、燃料70は、天然ガス、液化天然ガス(LNG)、シンガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ケロシン、ディーゼル燃料、エタノール、メタノール、バイオ燃料、又は何らかのこれらの組み合わせを含むことができる。
【0019】
SEGRガスタービンシステム52は、燃焼器セクションにおいて排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70を混合して燃焼させ、これによりタービンセクションにおいて1又は2以上のタービン段を駆動する高温の燃焼ガス又は排気ガス60を発生する。特定の実施形態において、燃焼器セクションにおける各燃焼器は、1又は2以上の予混合燃料ノズル、1又は2以上の拡散燃料ノズル、又は何らかのこれらの組み合わせを含む。例えば、各予混合燃料ノズルは、燃料ノズルの内部で、及び/又は燃料ノズルの部分的に上流側で酸化剤68と燃料70を混合し、これにより予混合燃焼(例えば、予混合火炎)のため酸化剤−燃料混合気を燃料ノズルから燃焼ゾーンに注入するよう構成することができる。別の実施例によれば、各拡散燃料ノズルは、酸化剤68及び燃料70の流れを燃料ノズル内で分離し、これにより拡散燃焼(例えば、拡散火炎)のため酸化剤68及び燃料70を燃料ノズルから燃焼ゾーンに別個に注入するよう構成することができる。詳細には、拡散燃料ノズルによって提供される拡散燃焼は、初期燃焼のポイントすなわち火炎領域まで酸化剤68及び燃料70の混合を遅延させる。拡散燃料ノズルを利用する実施形態において、拡散火炎は、一般に酸化剤68及び燃料70の別個のストリームの間(すなわち、酸化剤68及び燃料70が混合されるときに)の化学量論ポイントにて形成されるので、火炎安定性を向上させることができる。特定の実施形態において、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気ガス60、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、拡散燃料ノズル又は予混合燃料ノズルの何れかにおいて酸化剤68、燃料70、又は両方と予混合することができる。加えて、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気ガス60、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、各燃焼器内での燃焼ポイントにて又はその下流側にて燃焼器内に注入することができる。これらの希釈剤を使用することにより、火炎(例えば、予混合火炎又は拡散火炎)の調質を助け、これにより一酸化窒素(NO)及び二酸化窒素(NO2)などのNOxエミッションの低減を助けることができる。火炎のタイプに関係なく、燃焼は、高温の燃焼ガス又は排気ガス60を生成して、1又は2以上のタービン段を駆動する。各タービン段が排気ガス60によって駆動されると、SEGRガスタービンシステム52は、機械出力72及び/又は電気出力74(例えば、発電機を介して)を発生する。システム52はまた、排気ガス60を出力し、更に水64を出力することができる。この場合も同様に、水64は、脱塩水などの処理水とすることができ、これは、設備内又は設備外での様々な用途で有用とすることができる。
【0020】
排気ガスの抽出は、また、1又は2以上の抽出ポイント76を用いてSEGRガスタービンシステム52により提供される。例えば、図示の実施形態は、抽出ポイント76から排気ガス42を受け取り、該排気ガス42を処理して、次いで、種々の目標システムに排気ガス42を供給又は分配する排気ガス(EG)抽出システム80及び排気ガス(EG)処理システム82を有する排気ガス(EG)供給システム78を含む。目標システムは、EORシステム18、及び/又はパイプライン86、貯蔵タンク88、又は炭素隔離システム90などの他のシステムを含むことができる。EG抽出システム80は、1又は2以上の導管、バルブ、制御部、及び流れ分離装置を含むことができ、これらは、排気ガス42を酸化剤68、燃料70、及び他の汚染物質から隔離すると同時に、抽出した排気ガス42の温度、圧力、及び流量を制御するのを可能にする。EG処理システム82は、1又は2以上の熱交換器(例えば、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、凝縮器、冷却器、又はヒーター)、触媒システム(例えば、酸化触媒システム)、粒子状物質及び/又は水除去システム(例えば、ガス脱水ユニット、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ)、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム(例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他)、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システム、排気ガス圧縮機、これらの何れかの組み合わせを含むことができる。EG処理システム82のこれらのサブシステムにより、温度、圧力、流量、水分含有量(例えば、水分除去量)、粒子状物質含有量(例えば、粒子状物質除去量)、及びガス組成(例えば、CO2、N2、その他の割合)の制御が可能となる。
【0021】
抽出した排気ガス42は、目標システムに応じて、EG処理システム82の1又は2以上のサブシステムにより処理される。例えば、EG処理システム82は、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システムを通じて排気ガス42の一部又は全てを配向することができ、種々の目標システムで使用するために炭素含有ガス(例えば、二酸化炭素)92及び/又は窒素(N2)を分離及び精製するよう制御される。例えば、EG処理システム82の実施形態は、ガス分離及び精製を実施し、第1のストリーム96、第2のストリーム97、及び第3のストリーム98のような排気ガス42の複数の異なるストリーム95を生成することができる。第1のストリーム96は、二酸化炭素リッチ及び/又は窒素希薄(例えば、CO2リッチ・N2希薄ストリーム)である第1の組成を有することができる。第2のストリーム97は、二酸化炭素及び/又は窒素の中間濃度レベル(例えば、中間濃度CO2・N2ストリーム)である第2の組成を有することができる。第3のストリーム98は、二酸化炭素希薄及び/又は窒素リッチ(例えば、CO2希薄・N2リッチストリーム)である第3の組成を有することができる。各ストリーム95(例えば、96、97、及び98)は、目標システムへのストリーム95の送出を促進するために、ガス脱水ユニット、フィルタ、ガス圧縮機、又はこれらの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96は、約70、75、80、85、90、95、96、97、98、又は99容積パーセントよりも大きいCO2純度又は濃度レベルと、約1、2、3、4、5、10、15、20、25、又は30容積パーセントよりも小さいN2純度又は濃度レベルとを有することができる。対照的に、CO2希薄・N2リッチストリーム98は、約1、2、3、4、5、10、15、20、25、又は30容積パーセントよりも小さいCO2純度又は濃度レベルと、約70、75、80、85、90、95、96、97、98、又は99容積パーセントよりも大きいN2純度又は濃度レベルとを有することができる。中間濃度CO2・N2ストリーム97は、約30〜70、35〜65、40〜60、又は45〜55容積パーセントのCO2純度又は濃度レベル及び/又はN2純度又は濃度レベルを有することができる。上述の範囲は、単に非限定的な実施例に過ぎず、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96及びCO2希薄・N2リッチストリーム98は、EORシステム18及び他のシステム84と共に使用するのに特に好適とすることができる。しかしながら、これらのリッチ、希薄、又は中間の濃度のCO2ストリーム95の何れかは、単独で、又は様々な組み合わせでEORシステム18及び他のシステム84と共に使用することができる。例えば、EORシステム18及び他のシステム84(例えば、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90)は各々、1又は2以上のCO2リッチ・N2希薄ストリーム96、1又は2以上のCO2希薄・N2リッチストリーム98、1又は2以上の中間濃度CO2・N2ストリーム97、及び1又は2以上の未処理排気ガス42ストリーム(すなわち、EG処理システム82をバイパスした)を受け取ることができる。
【0022】
EG抽出システム80は、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び/又はタービンセクションに沿った1又は2以上の抽出ポイント76にて排気ガス42を抽出し、排気ガス42が、好適な温度及び圧力でEORシステム18及び他のシステム84において使用できるようにする。EG抽出システム80及び/又はEG処理システム82はまた、EGプロセスシステム54との間で流体流(例えば、排気ガス42)を循環させることができる。例えば、EGプロセスシステム54を通過する排気ガス42の一部は、EORシステム18及び他のシステム84で使用するためにEG抽出システム80によって抽出することができる。特定の実施形態において、EG供給システム78及びEGプロセスシステム54は、独立しているか、又は互いに一体化することができ、従って、独立したサブシステム又は共通のサブシステムを用いることができる。例えば、EG処理システム82は、EG供給システム78及びEGプロセスシステム54両方によって用いることができる。EGプロセスシステム54から抽出される排気ガス42は、EGプロセスシステム54における1又は2以上のガス処理段及びその後に続くEG処理システム82における1又は2以上の追加のガス処理段のような、複数のガス処理段を受けることができる。
【0023】
各抽出ポイント76において、抽出した排気ガス42には、EGプロセスシステム54において実質的に量論的燃焼及び/又はガス処理に起因して、実質的に酸化剤68及び燃料70(例えば、未燃燃料又は炭化水素)が存在しない場合がある。更に、目標システムに応じて、抽出した排気ガス42は、EG供給システム78のEG処理システム82において更なる処理を受け、これにより何らかの残留する酸化剤68、燃料70、又は他の望ましくない燃焼生成物を更に低減することができる。例えば、EG処理システム82の処理の前又は後で、抽出した排気ガス42は、1、2、3、4、又は5容積パーセントよりも少ない酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、EG処理システム82の処理の前又は後で、抽出した排気ガス42は、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)よりも少ない酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。従って、排気ガス42は、EORシステム18と共に使用するのに特に好適である。
【0024】
タービンシステム52のEGR作動は、具体的には、複数の位置76での排気ガス抽出を可能にする。例えば、システム52の圧縮機セクションを用いて、いかなる酸化剤68もなしに排気ガス66を圧縮する(すなわち、排気ガス66の圧縮のみ)ことができ、その結果、酸化剤68及び燃料70の流入前に圧縮機セクション及び/又は燃焼器セクションから実質的に酸素を含まない排気ガス42を抽出することができるようになる。抽出ポイント76は、隣接する圧縮機段の間の段間ポートにて、圧縮機排出ケーシングに沿ったポートにて、燃焼器セクションにおける各燃焼器に沿ったポートにて、又はこれらの組み合わせに位置付けることができる。特定の実施形態において、排気ガス66は、燃焼器セクションにおける各燃焼器のヘッド端部部分及び/又は燃料ノズルに達するまでは、酸化剤68及び燃料70と混合しないようにすることができる。更に、1又は2以上の流れ分離器(例えば、壁、仕切り、バッフル、又は同様のもの)を用いて、酸化剤68及び燃料70を抽出ポイント76から隔離することができる。これらの流れ分離器を用いると、抽出ポイント76は、燃焼器セクションにおける各燃焼器の壁に沿って直接配置することができる。
【0025】
排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70がヘッド端部部分を通って(例えば、燃料ノズルを通って)各燃焼器の燃焼部(例えば、燃焼室)に流入すると、SEGRガスタービンシステム52は、排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70の実質的に量論的な燃焼をもたらすよう制御される。例えば、システム52は、約0.95〜約1.05の当量比を維持することができる。結果として、各燃焼器における排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70の混合気の燃焼生成物は、実質的に酸素及び未燃燃料を含まない。従って、燃焼生成物(又は排気ガス)は、EORシステム18に送られる排気ガス42として使用するためにSEGRガスタービンシステム52のタービンセクションから抽出することができる。タービンセクションに沿って、抽出ポイント76は、隣接するタービン段の間の段間ポートなどの何れかのタービン段に位置付けることができる。従って、上述の抽出ポイント76の何れかを用いて、タービンベースのサービスシステム14は、排気ガス42を生成及び抽出し、炭化水素生成システム12(例えば、EORシステム18)に送出して、地下リザーバ20からのオイル/ガス48の生成に用いることができる。
【0026】
図2は、タービンベースのサービスシステム14及び炭化水素生成システム12に結合された制御システム100を示した、図1のシステム10の1つの実施形態の概略図である。図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム14は、複合サイクルシステム102を含み、該複合サイクルシステム102は、トッピングサイクルとしてSEGRガスタービンシステム52と、ボトミングサイクルとして蒸気タービン104と、排気ガス60から熱を回収して蒸気タービン104を駆動するための蒸気62を発生させるHRSG56と、を含む。この場合も同様に、SEGRガスタービンシステム52は、排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70を受け取って混合し、量論的燃焼(例えば、予混合及び/又は拡散火炎)をして、これにより排気ガス60機械出力72電気出力74、及び/又は水64を生成する。例えば、SEGRガスタービンシステム52は、発電機、酸化剤圧縮機(例えば、主空気圧縮機)、ギアボックス、ポンプ、炭化水素生成システム12の設備、又はこれらの組み合わせなどの1又は2以上の負荷又は機械装置106を駆動することができる。一部の実施形態において、機械装置106は、SEGRガスタービンシステム52と縦一列に配列された、発電機又は蒸気タービン(例えば、蒸気タービン104)などの他の駆動装置を含むことができる。従って、SEGRガスタービンシステム52(及び何らかの追加の駆動装置)によって駆動される機械装置106の出力は、機械出力72及び電気出力74を含むことができる。機械出力72及び/又は電気出力74は、炭化水素生成システム12に動力を供給するために施設内で用いることができ、電気出力74は、送電網又はこれらの組み合わせに配電することができる。機械装置106の出力はまた、SEGRガスタービンシステム52の燃焼セクションに吸入するため、圧縮酸化剤68(例えば、空気又は酸素)などの圧縮流体を含むことができる。これらの出力(例えば、排気ガス60、機械出力72、電気出力74、及び/又は水64)の各々は、タービンベースのサービスシステム14の1つのサービスとみなすことができる。
【0027】
SEGRガスタービンシステム52は、実質的に酸素を伴わない場合がある排気ガス42、60を生成し、該排気ガス42、60をEGプロセスシステム54及び/又はEG供給システム78に送る。EG供給システム78は、排気ガス42(例えば、ストリーム95)を処理して炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84に送給することができる。上記で検討したように、EGプロセスシステム54は、HRSG56及びEGRシステム58を含むことができる。HRSG56は、1又は2以上の熱交換器、凝縮器、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらを用いて排気ガス60から熱を回収して水108に伝達し、蒸気タービン104を駆動するための蒸気62を発生することができる。SEGRガスタービンシステム52と同様に、蒸気タービン104は、1又は2以上の負荷又は機械装置106を駆動し、これにより機械出力72及び電気出力74を生成することができる。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52及び蒸気タービン104は、縦一列の形態で配列されて、同じ機械装置106を駆動する。しかしながら、他の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52及び蒸気タービン104は、異なる機械装置106を別個に駆動し、機械出力72及び/又は電気出力74を独立して生成することができる。蒸気タービン104がHRSG56からの蒸気62により駆動されると、蒸気62の温度及び圧力が漸次的に低下する。従って、蒸気タービン104は、使用した蒸気62及び/又は水108をHRSG56に戻すよう再循環し、排気ガス60からの熱回収を介して追加の蒸気を発生させる。蒸気発生に加えて、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEGプロセスシステム54の別の部分は、水64、及び炭化水素生成システム12と共に用いるための排気ガス42、並びにSEGRガスタービンシステム52への入力として使用する排気ガス66を生成することができる。例えば、水64は、他の用途で使用するための脱塩水のような処理水64とすることができる。脱塩水は、水の利用性が低い領域で特に有用とすることができる。排気ガス60に関しては、EGプロセスシステム54の実施形態は、排気ガス60をHRSG56に通過させるかどうかに関係なく、EGRシステム58を通じて排気ガス60を再循環するよう構成することができる。
【0028】
図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、システム52の排出出口から排出入口まで延びる排気ガス再循環経路110を有する。排気ガス60は、経路110に沿って、図示の実施形態においてHRSG56及びEGRシステム58を含むEGプロセスシステム54を通過する。EGRシステム58は、経路110に沿って直列及び/又は並列配列で、1又は2以上の導管、バルブ、ブロア、ガス処理システム(例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はこれらの組み合わせ)を含むことができる。換言すると、EGRシステム58は、システム52の排気ガス出口と排気ガス入口との間の排気ガス再循環経路110に沿って、何れかの流れ制御構成要素、圧力制御構成要素、温度制御構成要素、湿度制御構成要素、及びガス組成制御構成要素を含むことができる。従って、経路110に沿ってHRSG56を備えた実施形態において、HRSG56は、EGRシステム58の1つの構成要素とみなすことができる。しかしながら、特定の実施形態において、HRSG56は、排気ガス再循環経路110とは独立して排気ガス経路に沿って配置することができる。HRSG56がEGRシステム58と別個の経路に沿っているか、又は共通の経路に沿っているかに関係なく、HRSG56及びEGRシステム58は、排気ガス60を吸入して、再循環される排気ガス60か、又はEG供給システム78(例えば、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84のため)と共に使用するための排気ガス42か、或いは別の出力の排気ガスを出力する。この場合も同様に、SEGRガスタービンシステム52は、排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70(例えば、予混合火炎及び/又は拡散火炎)を吸入し、混合し、量論的燃焼して、EGプロセスシステム54、炭化水素生成システム12、又は他のシステム84に分配するために実質的に酸素及び燃料を含まない排気ガス60を生成する。
【0029】
図1を参照しながら上述したように、炭化水素生成システム12は、地下リザーバ20からオイル/ガス井戸26を通るオイル/ガス48の回収又は生成を促進する様々な設備を含むことができる。例えば、炭化水素生成システム12は、流体注入システム34を有するEORシステム18を含むことができる。図示の実施形態において、流体注入システム34は、排気ガス注入EORシステム112及び蒸気注入EORシステム114を含む。流体注入システム34は、様々な供給源から流体を受け取ることができるが、図示の実施形態は、タービンベースのサービスシステム14から排気ガス42及び蒸気62を受け取ることができる。タービンベースのサービスシステム14により生成される排気ガス42及び/又は蒸気62はまた、他のオイル/ガスシステム116で使用するため炭化水素生成システム12に送ることができる。
【0030】
排気ガス42及び蒸気62の量、品質、及び流れは、制御システム100により制御することができる。制御システム100は、タービンベースのサービスシステム14に完全に専用とすることができ、或いはまた、任意選択的に、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84の制御を行うことができる。図示の実施形態において、制御システム100は、プロセッサ120、メモリ122、蒸気タービン制御部124、SEGRガスタービンシステム制御部126、及び機械制御部128を有するコントローラ118を含む。プロセッサ120は、タービンベースのサービスシステム14を制御するために単一のプロセッサか、又はトリプル冗長プロセッサのような2又はそれ以上の冗長プロセッサを含むことができる。メモリ122は、揮発性及び/又は不揮発性メモリを含むことができる。例えば、メモリ122は、1又は2以上のハードドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。制御部124、126、及び128は、ソフトウェア及び/又はハードウェア制御部を含むことができる。例えば、制御部124、126、及び128は、メモリ122上に格納されてプロセッサ120により実行可能な種々の命令又はコードを含むことができる。制御部124は、蒸気タービン104の作動を制御するよう構成され、SEGRガスタービンシステム制御部126は、システム52を制御するよう構成され、機械制御部128は、機械装置106を制御するよう構成される。従って、コントローラ118(例えば、制御部124、126、及び128)は、タービンベースのサービスシステム14の種々のサブシステムを協働させて、炭化水素生成システム12に排気ガス42の好適なストリームを提供するよう構成することができる。
【0031】
制御システム100の特定の実施形態において、図面において示され且つ本明細書で記載される各要素(例えば、システム、サブシステム、及び構成要素)は、(例えば、このような要素の直接内部に、上流側に、又は下流側に)センサ及び制御デバイスのような1又は2以上の工業用制御特徴要素を含み、これらは、コントローラ118と共に工業用制御ネットワークを介して互いに通信可能に結合される。例えば、各要素に関連する制御デバイスは、専用のデバイスコントローラ(例えば、プロセッサ、メモリ、及び制御命令を含む)、1又は2以上のアクチュエータ、バルブ、スイッチ、及び工業用制御機器を含むことができ、これらは、センサフィードバック130、コントローラ118からの制御信号、ユーザからの制御信号、又はこれらの組み合わせに基づいて制御を可能にする。従って、本明細書で記載される制御機能の何れも、コントローラ118、 各要素に関連する専用のデバイスコントローラ、又はこれらの組み合わせにより格納され及び/又は実行可能な制御命令を用いて実施することができる。
【0032】
このような制御機能を可能にするために、制御システム100は、種々の制御部(例えば、制御部124、126、及び128)の実行の際に使用するセンサフィードバック130を得るために、システム10全体にわたって配置された1又は2以上のセンサを含む。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52、機械装置106、EGプロセスシステム54、蒸気タービン104、炭化水素生成システム12、或いは、タービンベースのサービスシステム14又は炭化水素生成システム12にわたる他の何れかの構成要素にわたって配置されたセンサから取得することができる。例えば、センサフィードバック130は、温度フィードバック、圧力フィードバック、流量フィードバック、火炎温度フィードバック、燃焼ダイナミックスフィードバック、吸入酸化剤組成フィードバック、吸入燃料組成フィードバック、排気ガス組成フィードバック、機械出力72の出力レベル、電気出力74の出力レベル、排気ガス42、60の出力量、水64の出力量又は品質、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52において量論的燃焼を可能にする排気ガス42、60の組成を含むことができる。例えば、センサフィードバック130は、酸化剤68の酸化剤供給経路に沿った1又は2以上の吸入酸化剤センサ、燃料70の燃料供給経路に沿った1又は2以上の吸入燃料センサ、及び排気ガス再循環経路110に沿って配置され及び/又はSEGRガスタービンシステム52内部に配置された1又は2以上の排出エミッションセンサからのフィードバックを含むことができる。吸入酸化剤センサ、吸入燃料センサ、及び排出エミッションセンサは、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、及び組成センサを含むことができる。エミッションセンサは、窒素酸化物(例えば、NOxセンサ)、炭素酸化物(例えば、COセンサ及びCO2センサ)、硫黄酸化物(例えば、SOxセンサ)、水素(例えば、H2センサ)、酸素(例えば、O2センサ)、未燃炭化水素(例えば、HCセンサ)、又は他の不完全燃焼生成物、或いはこれらの組み合わせに対するセンサを含むことができる。
【0033】
このフィードバック130を用いて、制御システム100は、当量比を好適な範囲内、例えば、例えば、約0.95〜約1.05、約0.95〜約1.0、約1.0〜約1.05、又は実質的に1.0に維持するよう、(他の作動パラメータの中でも特に)SEGRガスタービンシステム52への排気ガス66、酸化剤68、及び/又は燃料70の吸入流を調整(例えば、増大、減少、又は維持)することができる。例えば、制御システム100は、フィードバック130を分析して、排出エミッション(例えば、窒素酸化物、CO及びCO2などの炭素酸化物、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル)を監視し及び/又は当量比を決定し、次いで、1又は2以上の構成要素を制御して、排出エミッション(例えば、排気ガス42の濃度レベル)及び/又は当量比を調整することができる。制御される構成要素は、限定ではないが、酸化剤68、燃料70、及び排気ガス66のための供給経路に沿ったバルブ;EGプロセスシステム54における酸化剤圧縮機、燃料ポンプ、又は何れかの構成要素;SEGRガスタービンシステム52の何れかの構成要素;又はこれらの組み合わせを含む、例示され図面を参照して説明された構成要素の何れかを含むことができる。制御される構成要素は、SEGRガスタービンシステム52内で燃焼をする酸化剤68、燃料70、及び排気ガス66の流量、温度、圧力、又はパーセンテージ(例えば、当量比)を調整(例えば、増大、減少、又は維持)することができる。制御される構成要素はまた、触媒ユニット(例えば、酸化触媒ユニット)、触媒ユニットのための供給源(例えば、酸化燃料、熱、電気、その他)、ガス精製及び/又は分離ユニット(例えば、溶剤ベース分離器、吸収器、フラッシュタンク、その他)、及び濾過ユニットなど、1又は2以上のガス処理システムを含むことができる。ガス処理システムは、排気ガス再循環経路110、通気経路(例えば、大気中に排出された)、又はEG供給システム78への抽出経路に沿った種々の排出エミッションの低減を助けることができる。
【0034】
特定の実施形態において、制御システム100は、フィードバック130を分析して、約10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000、又は10000ppmv(百万分の1体積)未満のように、エミッションレベル(例えば、排気ガス42の濃度レベル、60、95)を目標範囲に維持又は低減するよう1又は2以上の構成要素を制御することができる。これらの目標範囲は、排出エミッション(例えば、窒素酸化物、一酸化炭素、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル)の各々に対して同じ又は異なることができる。例えば、当量比に応じて、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排出エミッション(例えば、濃度レベル)を約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、又は1000ppmv未満の目標範囲内に、一酸化炭素(CO)の排出エミッション(例えば、濃度レベル)を約20、50、100、200、500、1000、2500、又は5000ppmv未満の目標範囲内に、及び窒素酸化物(NOx)の排出エミッション(例えば、濃度レベル)を約50、100、200、300、400、又は500ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。実質的に量論的当量比で作動する特定の実施形態において、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排出エミッション(例えば、濃度レベル)を約10、20、30、40、50、60、70、80、90、又は100ppmv未満の目標範囲内に、及び一酸化炭素(CO)の排出エミッションを約500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。燃料希薄当量比(例えば、約0.95〜1.0)で作動する特定の実施形態において、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排出エミッション(例えば、濃度レベル)を約500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、又は1500ppmv未満の目標範囲内に、一酸化炭素(CO)の排出エミッションを約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、又は200ppmvの目標範囲内に、及び窒素酸化物(例えば、NOx)の排出エミッションを約50、100、150、200、250、300、350、又は400ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。上述の目標範囲は、単に実施例に過ぎず、開示された実施形態の範囲を限定するものではない。
【0035】
制御システム100はまた、ローカルインタフェース132及びリモートインタフェース134に結合することができる。例えば、ローカルインタフェース132は、タービンベースのサービスシステム14及び/又は炭化水素生成システム12にて施設内に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。対照的に、リモートインタフェース134は、インターネット接続を通じてなど、タービンベースのサービスシステム14及び炭化水素生成システム12の施設外に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。これらのインタフェース132及び134は、センサフィードバック130、作動パラメータ及びその他の1又は2以上のグラフィック表示を通じてなど、タービンベースのサービスシステム14の監視及び制御を可能にする。
【0036】
この場合も同様に、上述のように、コントローラ118は、タービンベースのサービスシステム14の制御を可能にする様々な制御部124、126、及び128を含む。蒸気タービン制御部124は、センサフィードバック130を受け取り、蒸気タービン104の作動を可能にする制御コマンドを出力することができる。例えば、蒸気タービン制御部124は、HRSG56、機械装置106、蒸気62の経路に沿った温度及び圧力センサ、水108の経路に沿った温度及び圧力センサ、及び機械出力72及び電気出力74を示す種々のセンサからセンサフィードバック130を受け取ることができる。同様に、SEGRガスタービンシステム制御部126は、SEGRガスタービンシステム52、機械装置106、EGプロセスシステム54、又はこれらの組み合わせに沿って配置された1又は2以上のセンサからセンサフィードバック130を受け取ることができる。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52の内部又は外部に配置された、温度センサ、圧力センサ、クリアランスセンサ、振動センサ、火炎センサ、燃料組成センサ、排気ガス組成センサ、又はこれらの組み合わせから得ることができる。最後に、機械制御部128は、機械出力72及び電気出力74に関連する種々のセンサ並びに機械装置106内に配置されたセンサからセンサフィードバック130を受け取ることができる。これら制御部124、126、及び128の各々は、センサフィードバック130を用いて、タービンベースのサービスシステム14の作動を改善する。
【0037】
図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム制御部126は、EGプロセスシステム54、EG供給システム78、炭化水素生成システム12、及び/又は他のシステム84における排気ガス42、60、95の量及び品質を制御する命令を実行することができる。例えば、SEGRガスタービンシステム制御部126は、排気ガス60中の酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料のレベルを排気ガス注入EORシステム112と共に使用するのに好適な閾値未満に維持することができる。特定の実施形態において、この閾値レベルは、排気ガス42、60の容積で酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料が1、2、3、4、又は5パーセント未満とすることができ、或いは、酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料(及び他の排出エミッション)の閾値レベルが、排気ガス42、60中に約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)未満とすることができる。別の実施例によれば、酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料のこれらの低いレベルを達成するために、SEGRガスタービンシステム制御部126は、SEGRガスタービンシステム52における燃焼において約0.95〜約1.05の当量比を維持することができる。SEGRガスタービンシステム制御部126はまた、排気ガス42、60、95の温度、圧力、流量、及びガス組成を排気ガス注入EORシステム112、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90に好適な範囲内に維持するよう、EG抽出システム80及びEG処理システム82を制御することができる。上記で検討したように、EG処理システム82は、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96、中間濃度CO2・N2ストリーム97、及びCO2希薄・N2リッチストリーム98のような1又は2以上のガスストリーム95内への排気ガス42を精製及び/又は分離するよう制御することができる。排気ガス42、60、及び95の制御に加えて、制御部124、126、及び128は、機械出力72を好適な出力範囲内に維持し、又は電気出力74を好適な周波数及び出力範囲内に維持するよう1又は2以上の命令を実行することができる。
【0038】
図3は、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84と共に使用するためのSEGRガスタービンシステム52の詳細を更に例示した、システム10の実施形態の概略図である。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、EGプロセスシステム54に結合されたガスタービンエンジン150を含む。図示のガスタービンエンジン150は、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及び膨張器セクション又はタービンセクション156を含む。圧縮機セクション152は、直列配列で配置された回転圧縮機ブレードの1〜20段のような1又は2以上の排気ガス圧縮機又は圧縮機段158を含む。同様に、燃焼器セクション154は、SEGRガスタービンシステム52の回転軸線162の周りで円周方向に配置された1〜20の燃焼器160のような1又は2以上の燃焼器160を含む。更に、各燃焼器160は、排気ガス66、酸化剤68、及び/又は燃料70を注入するよう構成された1又は2以上の燃料ノズル164を含むことができる。例えば、各燃焼器160のヘッド端部部分166は、1、2、3、4、5、6、又はそれ以上の燃料ノズル164を収容することができ、該燃料ノズルは、排気ガス66、酸化剤68、及び/又は燃料70のストリーム又は混合気を燃焼器160の燃焼部分168(例えば、燃焼室)に注入することができる。
【0039】
燃料ノズル164は、予混合燃料ノズル164(例えば、酸化剤/燃料予混合火炎の生成のため酸化剤68及び燃料70を予混合するよう構成された)及び/又は拡散燃料ノズル164(例えば、酸化剤/燃料拡散火炎の生成のため酸化剤68及び燃料70の別個の流れを注入するよう構成された)のあらゆる組み合わせを含むことができる。予混合燃料ノズル164の実施形態は、燃焼室168における注入及び燃焼の前に、ノズル164内で酸化剤68及び燃料70を内部で混同するためのスワールベーン、混合チャンバ、又は他の特徴要素を含むことができる。予混合燃料ノズル164はまた、少なくとも一部が部分的に混合された酸化剤68及び燃料70を受け取ることができる。特定の実施形態において、各拡散燃料ノズル164は、注入ポイントまで酸化剤68及び燃料70の流れを隔離すると同時に、注入ポイントまで1又は2以上の希釈剤(例えば、排気ガス66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)の流れも隔離することができる。他の実施形態において、各拡散燃料ノズル164は、注入ポイントまで酸化剤68及び燃料70の流れを隔離するが、注入ポイントの前に1又は2以上の希釈剤(例えば、排気ガス66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)を酸化剤68及び/又は燃料70と部分的に混合することができる。加えて、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気ガス66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、燃焼ゾーンにて又はその下流側で燃焼器内(例えば、高温の燃焼生成物内)に注入され、これにより高温の燃焼生成物の温度を低下させ、NOx(例えば、NO及びNO2)のエミッションを低減するのを助けることができる。燃料ノズル164のタイプに関係なく、SEGRガスタービンシステム52は、酸化剤68及び燃料70の実質的に量論的燃焼を提供するよう制御することができる。
【0040】
拡散燃料ノズル164を用いた拡散燃焼の実施形態において、燃料70及び酸化剤68は一般に、拡散火炎の上流側では混合せず、むしろ、燃料70及び酸化剤68は、火炎表面にて直接混合及び反応し、及び/又は火炎表面が燃料70及び酸化剤68間の混合位置に存在する。詳細には、燃料70及び酸化剤68は、火炎表面(又は拡散境界/界面)に別個に接近し、次いで、火炎表面(又は拡散境界/界面)に沿って拡散(例えば、分子及び粘性拡散を介して)し、拡散火炎を発生する。燃料70及び酸化剤68は、この火炎表面(又は拡散境界/界面)に沿って実質的に量論比にあるものとすることができる点は注目すべきであり、その結果、この火炎表面に沿ってより高い火炎温度(例えば、ピーク火炎温度)を生じることができる。量論的燃料/酸化剤比は一般に、燃料希薄又は燃料リッチの燃料/酸化剤比と比べて、高い火炎温度(例えば、ピーク火炎温度)をもたらす。結果として、拡散火炎は、予混合火炎よりも実質的により安定することができ、これは、燃料70及び酸化剤68の拡散が、火炎表面に沿った量論比(及びより高温)を維持するのを助けることに起因する。火炎温度がより高いほど、NOxエミッションのような排出エミッションをより多く生じる可能性があるが、開示の実施形態では、1又は2以上の希釈剤を用いて、燃料70及び酸化剤68のあらゆる予混合を依然として回避しながら、温度及びエミッションを制御することができる。例えば、開示された実施形態は、燃料70及び酸化剤68とは別個に(例えば、燃焼ポイントの後及び/又は拡散火炎から下流側で)1又は2以上の希釈剤を導入することができ、これにより、温度を低下させ、拡散火炎により生じたエミッションを低減するのを助けることができる。
【0041】
作動時には、図示のように、圧縮機セクション152は、EGプロセスシステム54からの排気ガス66を受け取って圧縮し、次いで、圧縮した排気ガス170を燃焼器セクション154における燃焼器160の各々に出力する。各燃焼器160内で燃料70、酸化剤68、及び排気ガス170が燃焼すると、追加の排気ガス又は燃焼生成物172(すなわち、燃焼ガス)がタービンセクション156に送られる。圧縮機セクション152と同様に、タービンセクション156は、一連の回転タービンブレードを有することができる1又は2以上のタービン又はタービン段174を含む。ここで、これらのタービンブレードは、燃焼器セクション154において発生した燃焼生成物172により駆動され、これにより機械装置106に結合されたシャフト176の回転を駆動する。この場合も同様に、機械装置106は、タービンセクション156に結合された機械装置106、178及び/又は圧縮機セクション152に結合された機械装置106、180など、SEGRガスタービンシステム52の何れかの端部に結合された様々な機器を含むことができる。特定の実施形態において、機械装置106、178、180は、1又は2以上の発電機、酸化剤68用の酸化剤圧縮機、燃料70用の燃料ポンプ、ギアボックス、又はSEGRガスタービンシステム52 に結合された追加の駆動装置(例えば、蒸気タービン104、電気モータ、その他)を含むことができる。以下では、表1を参照しながら、非限定的な実施例を更に詳細に検討する。図示のように、タービンセクション156は、排気ガス60を出力して、排気ガス再循環経路110に沿ってタービンセクション156の排気ガス出口182から排気ガス入口184に再循環して圧縮機セクション152内に入る。排気ガス再循環経路110に沿って、排気ガス60は、上記で詳細に検討したようにEGプロセスシステム54(例えば、HRSG56及び/又はEGRシステム58)を通過する。
【0042】
この場合も同様に、燃焼器セクション154における各燃焼器160は、加圧排気ガス170、酸化剤68、及び燃料70を受け取って混合して、量論的に燃焼し、追加の排気ガス又は燃焼生成物172を生成して、タービンセクション156を駆動する。特定の実施形態において、酸化剤68は、1又は2以上の酸化剤圧縮機(MOC)を有する主酸化剤圧縮(MOC)システム(例えば、主空気圧縮(MAC)システム)のような酸化剤圧縮システム186により圧縮される。酸化剤圧縮システム186は、駆動装置190に結合された酸化剤圧縮機188を含む。例えば、駆動装置190は、電気モータ、燃焼エンジン、又はこれらの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、駆動装置190は、ガスタービンエンジン150のようなタービンエンジンとすることができる。従って、酸化剤圧縮システム186は、機械装置106の一体化部分とすることができる。換言すると、圧縮機188は、ガスタービンエンジン150のシャフト176により供給される機械出力72によって直接的又は間接的に駆動することができる。このような実施形態においては、圧縮機188は、タービンエンジン150からの出力に依存するので、駆動装置190は除外してもよい。しかしながら、1つよりも多い酸化剤圧縮機を利用する特定の実施形態において、第1の酸化剤圧縮機(例えば、低圧(LP)酸化剤圧縮機)は、駆動装置190により駆動することができるが、シャフト176は、第2の酸化剤圧縮機(例えば、高圧(HP)酸化剤圧縮機)を駆動し、或いは、その逆もまた可能である。例えば、別の実施形態において、HP MOCは、駆動装置190により駆動され、LP酸化剤圧縮機は、シャフト176により駆動される。図示の実施形態において、酸化剤圧縮システム186は、機械装置106から分離されている。これらの実施形態の各々において、圧縮システム186は、酸化剤68を圧縮して燃料ノズル164及び燃焼器160に供給する。従って、機械装置106、178、180の一部又は全ては、圧縮システム186(例えば、圧縮機188及び/又は追加の圧縮機)の作動効率を向上させるように構成することができる。
【0043】
要素符号106A、106B、106C、106D、106E、及び106Fで示される機械装置106の様々な構成要素は、1又は2以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組み合わせで、シャフト176の軸線に沿って及び/又はシャフト176の軸線に平行に配置することができる。例えば、機械装置106、178、180(例えば、106Aから106F)は、任意の順序で、1又は2以上のギアボックス(例えば、平行シャフト、遊星ギアボックス)、1又は2以上の圧縮機(例えば、酸化剤圧縮機、EGブースタ圧縮機のようなブースタ圧縮機)、1又は2以上の発電ユニット(例えば、発電機)、1又は2以上の駆動装置(例えば、蒸気タービンエンジン、電気モータ)、熱交換ユニット(例えば、直接式又は間接式熱交換器)、クラッチ、又はこれらの組み合わせの何らかの直列及び/又は並列配列を含むことができる。圧縮機は、軸方向圧縮機、半径方向又は遠心式圧縮機、又はこれらの組み合わせを含むことができ、各々が1又は2以上の圧縮段を有する。熱交換器に関しては、直接式熱交換器は、ガス流を直接冷却するためにガス流(例えば、酸化剤流)に液体噴霧を注入する噴霧冷却器(例えば、噴霧中間冷却器)を含むことができる。間接式熱交換器は、冷却剤流(例えば、水、空気、冷媒、又は他の何れかの液体又は気体冷却剤)から流体流(例えば、酸化剤流)を分離するような、第1及び第2の流れを分離する少なくとも1つの壁(例えば、シェル及び管体熱交換器)を含むことができ、ここで冷却剤流は、どのような直接接触もなく流体流から熱を伝達する。間接式熱交換器の実施例は、中間冷却器熱交換器、及び熱回収蒸気発生器のような熱回収ユニットを含む。熱交換器はまた、ヒーターを含むことができる。以下でより詳細に検討するように、これらの機械構成要素の各々は、表1に記載される非限定的な実施例によって示される様々な組み合わせで用いることができる。
【0044】
一般に、機械装置106、178、180は、例えば、システム186における1又は2以上の酸化剤圧縮機の作動速度を調整し、冷却を通じて酸化剤68の圧縮を促進させ、及び/又は余剰出力を抽出することによって、圧縮システム186の効率を向上させるよう構成することができる。開示された実施形態は、直列及び並列配列の機械装置106、178、180における上述の構成要素のあらゆる並び換えを含むことを意図しており、構成要素の1つ、2つ以上、又は全てがシャフト176から出力を引き出しており、或いは全て引き出していない。以下で示すように、表1は、圧縮機及びタービンセクション152、156に近接して配置及び/又は結合された機械装置106、178、180の配列の幾つかの非限定的な実施例を示している。
【0045】
表1
【0046】
表1において上記したように、冷却ユニットはCLRで表され、クラッチはCLUで表され、駆動装置はDRVで表され、ギアボックスはGBXで表され、発電機はGENで表され、加熱ユニットはHTRで表され、主酸化剤圧縮機ユニットはMOCで表され、低圧及び高圧変形形態はそれぞれLP MOC及びHP MOCで表され、蒸気発生器ユニットはSTGNで表されている。表1は、圧縮機セクション152又はタービンセクション156に向かって機械装置106、178、180を順次的に示しているが、表1はまた、逆順の機械装置106、178、180も包含することを意図している。表1において、2又はそれ以上の構成要素を含むあらゆる欄(セル)は、構成要素の並列配列を包含することを意図している。表1は、機械装置106、178、180の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。機械装置106、178、180のこれらの構成要素は、ガスタービンエンジン150に送られる温度、圧力、及び流量のフィードバック制御を可能にすることができる。以下でより詳細に検討するように、酸化剤68及び燃料70は、加圧排気ガス170の品質を劣化させる何らかの酸化剤68又は燃料70無しで、排気ガス170の分離及び抽出を可能にするよう特別に選択された位置においてガスタービンエンジン150に供給することができる。
【0047】
図3に示すように、EG供給システム78は、ガスタービンエンジン150と目標システム(例えば、炭化水素生成システム12及び他のシステム84)との間に配置される。詳細には、EG供給システム78(例えば、EG抽出システム(EGES)80)は、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及び/又はタービンセクション156に沿った1又は2以上の抽出ポイント76にてガスタービンエンジン150に結合することができる。例えば、抽出ポイント76は、圧縮機段の間の2、3、4、5、6、7、8、9、又は10の段間抽出ポイント76のように、隣接する圧縮機段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント76の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス42を提供する。同様に、抽出ポイント76は、タービン段の間の圧縮機段の間の2、3、4、5、6、7、8、9、又は10の段間抽出ポイント76のように、隣接するタービン段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント76の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス42を提供する。別の実施例によれば、抽出ポイント76は、燃焼器セクション154全体にわたって多数の位置に配置することができ、これらは、異なる温度、圧力、流量、及びガス組成を提供することができる。これらの抽出ポイント76の各々は、EG抽出導管、1又は2以上のバルブ、センサ、及び制御部を含むことができ、これらは、EG供給システム78への抽出排気ガス42の流れを選択的に制御するのに用いることができる。
【0048】
EG供給システム78によって分配される抽出した排気ガス42は、目標システム(例えば、炭化水素生成システム12及び他のシステム84)に好適な制御された組成を有する。例えば、これらの抽出ポイント76の各々において、排気ガス170は、酸化剤68及び燃料70の注入ポイント(又は流れ)から実質的に隔離することができる。換言すると、EG供給システム78は、どのような酸化剤68又は燃料70の追加も無しに排気ガス170をガスタービンエンジン150から抽出するよう特別に設計することができる。更に、燃焼器160の各々における量論的燃焼の観点で、抽出した排気ガス42は、実質的に酸素及び燃料を含まないものとすることができる。EG供給システム78は、原油二次回収、炭素隔離、貯蔵、又は施設外の場所への輸送など、種々のプロセスで使用するために抽出した排気ガス42を炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84に直接的又は間接的に送ることができる。しかしながら、特定の実施形態において、EG供給システム78は、目標システムと共に使用する前に、排気ガス42を更に処理するためにEG処理システム(EGTS)82を含む。例えば、EG処理システム82は、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96、中間濃度CO2・N2ストリーム97、及びCO2希薄・N2リッチストリーム98などの1又は2以上のストリーム95への排気ガス42を精製及び/又は分離することができる。これらの処理された排気ガスストリーム95は、炭化水素生成システム12及び他のシステム84(例えば、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90)とは個別に又は何らかの組み合わせで用いることができる。
【0049】
EG供給システム78において実施された排気ガスの処理と同様に、EGプロセスシステム54は、要素番号194、196、198、200、202、204、206、208、及び210により示されるような、複数の排気ガス(EG)処理構成要素192を含むことができる。これらのEG処理構成要素192(例えば、194〜210)は、1又は2以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組み合わせで排気ガス再循環経路110に沿って配置することができる。例えば、EG処理構成要素192(例えば、194〜210)は、任意の順序で、1又は2以上の熱交換器(例えば、熱回収蒸気発生器などの熱回収ユニット、凝縮器、冷却器、又はヒーター)、触媒システム(例えば、酸化触媒システム)、粒子状物質及び/又は水除去システム(例えば、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ)、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム(例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他)、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システム、又はこれらの何れかの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、触媒システムは、酸化触媒、一酸化炭素還元触媒、窒素酸化物還元触媒、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、シリコーン酸化物、チタン酸化物、プラチナ酸化物、パラジウム酸化物、コバルト酸化物、又は混合金属酸化物、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。開示された実施形態は、直列及び並列配列の上述の構成要素192のあらゆる並び換えを含むことを意図している。以下に示すように、表2は、排気ガス再循環経路110に沿った構成要素192の配列の幾つかの非限定的な実施例を示している。
【0050】
表2
【0051】
表2において上記したように、触媒ユニットはCUで表され、酸化触媒ユニットはOCUで表され、ブースタブロアはBBで表され、熱交換器はHXで表され、熱回収ユニットはHRUで表され、熱回収蒸気発生器はHRSGで表され、凝縮器はCONDで表され、蒸気タービンはSTで表され、粒子状物質除去ユニットはPRUで表され、除湿ユニットはMRUで表され、フィルタはFILで表され、凝集フィルタはCFILで表され、水不透過性フィルタはWFILで表され、慣性力選別装置はINERで表され、希釈剤供給システム(例えば、蒸気、窒素、又は他の不活性ガス)はDILで表される。表2は、タービンセクション156の排気ガス出口182から圧縮機セクション152の排気ガス入口184に向かって構成要素192を順次的に示しているが、図示の構成要素192の逆順も包含することを意図している。表2において、2又はそれ以上の構成要素を含むあらゆる欄(セル)は、構成要素を備えた一体的ユニット、構成要素の並列配列、又はこれらの組み合わせを包含することを意図している。更に、表2において、HRU、HRSG、及びCONDはHEの実施例であり、HRSGは、HRUの実施例であり、COND、WFIL、及びCFILはWRUの実施例であり、INER、FIL、WFIL、及びCFILはPRUの実施例であり、WFIL及びCFILは、FILの実施例である。この場合も同様に、表2は、構成要素192の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。特定の実施形態において、図示の構成要素192(例えば、194〜210)は、HRSG56、EGRシステム58、又はこれらの組み合わせ内で部分的に又は完全に一体化することができる。これらのEG処理構成要素192は、温度、圧力、流量及びガス組成のフィードバック制御を可能にすると同時に、排気ガス60から水分及び粒子状物質を除去することができる。更に、処理された排気ガス60は、EG供給システム78で使用するために1又は2以上の抽出ポイント76にて抽出され、及び/又は圧縮機セクション152の排気ガス入口184に再循環することができる。
【0052】
処理された再循環排気ガス66が圧縮機セクション152を通過すると、SEGRガスタービンシステム52は、1又は2以上の管路212(例えば、ブリード導管又はバイパス導管)に沿って加圧排気ガスの一部を抜き取ることができる。各管路212は、排気ガスを1又は2以上の熱交換器214(例えば、冷却ユニット)に送り、これによりSEGRガスタービンシステム52への再循環のために排気ガスを冷却することができる。例えば、熱交換器214を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、タービンケーシング、タービンシュラウド、軸受、及び他の構成要素の冷却及び/又はシールのため管路212に沿ってタービンセクション156に送ることができる。このような実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、冷却及び/又はシール目的でタービンセクション156を通って何らかの酸化剤68(又は他の可能性のある汚染物質)を送らず、従って、冷却された排気ガスの何らかの漏洩が、タービンセクション156のタービン段を流動し駆動する高温の燃焼生成物(例えば、作動排気ガス)を汚染することはない。別の実施例によれば、熱交換器214を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、管路216(例えば、戻り導管)に沿って圧縮機セクション152の上流側圧縮機段に送られ、これにより圧縮機セクション152による圧縮効率を向上させることができる。このような実施形態において、熱交換器214は、圧縮機セクション152における段間冷却ユニットとして構成することができる。このようにして、冷却された排気ガスは、SEGRガスタービンシステム52の作動効率を向上させるのを助けると同時に、排気ガスの純度(例えば、実質的に酸化剤及び燃料を含まない)を維持するのを助ける。
【0053】
図4は、図1〜3に示したシステム10の動作プロセス220の1つの実施形態のフローチャートである。特定の実施形態において、プロセス220は、コンピュータに実装されたプロセスとすることができ、メモリ122上に格納された1又は2以上の命令にアクセスして、図2に示すコントローラ118のプロセッサ120上で命令を実行する。例えば、プロセス220の各ステップは、図2を参照して説明された制御システム100のコントローラ118によって実行可能な命令を含むことができる。
【0054】
プロセス220は、ブロック222で示されるように、図1〜3のSEGRガスタービンシステム52の始動モードを開始するステップで始まることができる。例えば、始動モードは、熱勾配、振動、及びクリアランス(例えば、回転部品と固定部品間の)を許容可能閾値内に維持するよう、SEGRガスタービンシステム52の漸次的な立ち上がりを含むことができる。例えば、始動モード222の間、プロセス220は、ブロック224で示されるように、加圧された酸化剤68を燃焼器セクション154の燃焼器160及び燃料ノズル164に供給するのを開始することができる。特定の実施形態において、圧縮された酸化剤は、圧縮空気、酸素、酸素富化空気、貧酸素空気、酸素−窒素混合気、又はこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、酸化剤68は、図3に示す酸化剤圧縮システム186により圧縮することができる。プロセス220はまた、ブロック226で示されるように、始動モード222の間、燃焼器160及び燃料ノズル164に燃料を供給するのを開始することができる。始動モード222の間、プロセス220はまた、ブロック228で示されるように、燃焼器160及び燃料ノズル164に排気ガス(利用可能な)供給するのを開始することができる。例えば、燃料ノズル164は、1又は2以上の拡散火炎、予混合火炎、又は拡散火炎と予混合火炎の組み合わせを生成することができる。始動モード222の間、ガスタービンエンジン156により生成される排気ガス60は、量及び/又は品質が不十分又は不安定になる可能性がある。従って、始動モードの間、プロセス220は、1又は2以上の貯蔵ユニット(例えば、貯蔵タンク88)、パイプライン86、他のSEGRガスタービンシステム52、又は他の排気ガス供給源から排気ガス66を供給することができる。
【0055】
次いで、プロセス220は、ブロック230で示されるように、燃焼器160において圧縮された酸化剤、燃料、及び排気ガスの混合気を燃焼させて高温燃焼ガス172を生成することができる。詳細には、プロセス220は、燃焼器セクション154の燃焼器160において混合気の量論的燃焼(例えば、量論的拡散燃焼、予混合燃焼、又は両方)を可能にするよう、図2の制御システム100により制御することができる。しかしながら、始動モード222の間、混合気の量論的燃焼を維持することが特に困難となる可能性がある(及びひいては低レベルの酸化剤及び未燃燃料が高温燃焼ガス172中に存在する可能性がある)。結果として、始動モード222において、高温燃焼ガス172は、以下で更に詳細に検討するように、定常状態モード中よりも多くの量の残留酸化剤68及び燃料70を有する可能性がある。このため、プロセス220は、始動モードの間に高温燃焼ガス172中の残留酸化剤68及び燃料70を低減又は排除するよう1又は2以上の制御命令を実行することができる。
【0056】
次いで、プロセス220は、ブロック232で示されるように、高温燃焼ガス172を用いてタービンセクション156を駆動する。例えば、高温燃焼ガス172は、タービンセクション156内に配置された1又は2以上のタービン段174を駆動することができる。タービンセクション156の下流側では、プロセス220は、ブロック234で示されるように、最終タービン段174からの排気ガス60を処理することができる。例えば、排気ガス処理ステップ234は、濾過、何らかの残留酸化剤68及び/又は燃料70の触媒反応、化学的処理、HRSG56を用いた熱回収、及びその他を含むことができる。プロセス220はまた、ブロック236で示されるように、SEGRガスタービンシステム52の圧縮機セクション152に排気ガス60の少なくとも一部を再循環することができる。例えば、排気ガスの再循環ステップ236は、図1〜3に示すように、EGプロセスシステム54を有する排気ガス再循環経路110の通過を含むことができる。
【0057】
次いで、再循環された排気ガス66は、ブロック238で示されるように、圧縮機セクション152において圧縮することができる。例えば、SEGRガスタービンシステム52は、圧縮機セクション152の1又は2以上の圧縮機段158において再循環された排気ガス66を順次的に圧縮することができる。続いて、加圧排気ガス170は、ブロック228で示されるように、燃焼器160及び燃料ノズル164に供給することができる。次いで、ブロック240で示されるように、プロセス220が最終的に定常状態モードに移行するまで、ステップ230、232、234、236、及び238を繰り返すことができる。移行ステップ240になると、プロセス220は、引き続きステップ224〜238を実施することができるが、更に、ブロック242で示されるように、EG供給システム78を介して排気ガス42の抽出を開始することができる。例えば、排気ガス42は、図3に示すように、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及びタービンセクション156に沿った1又は2以上の抽出ポイント76から抽出することができる。次いで、プロセス220は、ブロック244で示されるように、抽出した排気ガス42をEG供給システム78から炭化水素生成システム12に供給することができる。次に、炭化水素生成システム12は、ブロック246で示されるように、原油二次回収のために排気ガス42を地中32に注入することができる。例えば、抽出した排気ガス42は、図1〜3に示されるEORシステム18の排気ガス注入EORシステム112によって用いることができる。
【0058】
上述のように、燃料70と酸化剤68との間の量論的燃焼(又は所定化学量論比での燃焼)を維持することは特に困難となる可能性がある。例えば、燃料70及び酸化剤68の組成の変動、燃料70及び酸化剤68の流量の変動、又はこのような他の変動は、非量論的燃焼、すなわち、設定値から逸脱した化学量論比での燃焼につながる可能性がある。この場合も同様に、これは、高温燃焼ガス172中に残留酸化剤68及び/又は燃料を生じる可能性があり、特定の下流側プロセスにおいては望ましくない場合がある。
【0059】
本発明の実施形態によれば、上記に記載したように、制御システム100は、プロセス220を実施する際に、燃焼器160において所望の燃料/酸化剤化学量論比での燃焼を可能にする1又は2以上の制御ルーチンを実行することができる。1つの制御ルーチンにおいて、制御システム100は、酸化剤68及び/又は燃料70の流量及び/又は組成に関連する情報を受け取ることができ、また、この情報の全て又は一部に基づいてフィードフォワード制御を利用して、燃焼器160への燃料70及び/又は酸化剤68の流れを調整することができる。
【0060】
別の制御ルーチンにおいて、制御システム100は、排気ガス60、66の流量及び/又は組成に関連する情報を受け取ることができ、また、この情報の全て又は一部に基づいてフィードバック制御を利用して、燃焼器160への燃料70及び/又は酸化剤68の流れを調整することができる。これらの実施形態のうちの幾つかにおいて、制御システム100は、モデルベース解析を利用して、フィードバック制御を決定することができる。
【0061】
上述の制御ルーチンは、共に用いることができる。すなわち、特定の実施形態において、制御システム100は、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を利用することができる。図5には、このようなルーチンを実施するのに好適な制御システム100の1つの実施形態及び関連解析の実施例がダイアグラムで示されている。詳細には、図5は、ガスタービンエンジン150と、EG供給システム78と、EGプロセスシステム54と、コントローラ118及び複数の検知特徴要素を有する当量比制御システム260と、を備えたタービンベースのサービスシステム14の1つの実施形態を描いている。
【0062】
一般に、当量比制御システム260は、量論的燃焼、又は実質的に量論的燃焼を提供する燃焼器160における酸化剤68及び燃料70の所定の当量比(例えば、約0.95〜1.05又は約1.0)での燃焼を可能にするように、酸化剤68及び燃料70の流れを制御するよう構成される。例えば、当量比制御システム260は、燃料70の流れ、酸化剤68の流れ、及び燃焼器160内の作動条件に関連する情報に応答して、燃料供給経路262に沿った燃料70の流れ、酸化剤供給経路264に沿った酸化剤68の流れ、又はこれらの組み合わせを調整することができる。作動条件に関連する情報は、燃焼器160内の燃焼の実際の燃料−酸化剤比など、燃焼器160内の燃焼ダイナミックスを示すデータを含むことができる。この情報に応答して、当量比制御システム260、及びより詳細にはコントローラ118は、それぞれの供給経路262、264に沿って燃料70及び/又は酸化剤68の流れの一方又は両方を調整し、設定ポイントとして用いることができる所定の当量比又は燃料−酸化剤比に向けてダイナミックスを移動させることができる。この場合も同様に、コントローラ118によって実施されるルーチンは、フィードフォワード機構又はフィードバック機構の何れか又は両方を含むことができる。両方の機構が制御に利用される実施形態において、制御部は、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を有するとみなすことができる。フィードフォワード成分を利用して、燃料供給経路262に沿った燃料70のベースライン又は粗い流量を確立することができると共に、フィードバック成分を利用して、ドリフト又は他の流れ変動を考慮することで燃料70の流量を改善することができる。加えて、又は代替として、酸化剤68の流量は、これらの機構に従って調整することができる。
【0063】
本開示によれば、コントローラ118によって実施される制御のフィードフォワード成分は、少なくとも燃料組成及び酸化剤組成、並びに特定の実施形態においては、組成情報に加えて、燃料70及び酸化剤68の流量、周囲温度、湿度、及びその他などの分析により可能となり、これらは、断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的にコントローラ118に提供することができる。従って、図示のように、当量比制御システム260は、燃料供給経路262に沿って流れる燃料70の流量を測定又は決定するよう構成された燃料流量計266を含む。燃料流量計266は、図示のように燃料供給経路262に沿って位置付けることができ、或いは、燃料供給経路262に沿って流れる燃料70の典型的なものである燃料70のスリップストリームを受け取ることができる。同様に、当量比制御システム260は、酸化剤供給経路264に沿って流れる酸化剤68の流量を測定又は決定するよう構成された酸化剤流量計268を含む。酸化剤流量計268は、図示のように酸化剤供給経路264に沿って位置付けることができ、或いは、酸化剤供給経路264に沿って流れる酸化剤68のスリップストリームを受け取ることができる。
【0064】
燃料流量計266及び酸化剤流量計268は、限定ではないが、熱式質量流量計、コリオリ質量流量計、質量流量コントローラ、ロータリーピストン流量計、ベンチェリ計、オリフィスプレート計、ドール管流量計、ピトー管流量計、多孔圧力プローブ計、コーン流量計、光学式流量計、電磁式流量計、又は超音波流量計を含む、何れかの好適なタイプの流れ分析デバイスのうちの1又は2以上を独立して含むことができる。燃料流量計266及び酸化剤流量計268は、図示のように、コントローラ118に通信可能に結合され、燃料70及び酸化剤68のそれぞれの流量を表すフィードバックを断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供することができ、又は、実際の流量値を提供することができる。例えば、燃料流量計266及び酸化剤流量計268が圧力ベースの流量計である実施形態において、コントローラ118は、圧力データを受け取ることができ、受け取った圧力データに基づいて流量を決定することができる。従って、特定の実施形態において、コントローラ118は、生データに対して計算を実施して関連する流量を決定するためメモリ122に記憶されたコードを含むことができる。他の実施形態において、コントローラ118は、燃料流量計266及び/又は酸化剤流量計268から実際の流量を受け取ることができ、以下で検討するアルゴリズム/ルーチンに従ってこのデータを用いることができる。
【0065】
上述のように、コントローラ118はまた、組成情報を利用して、フィードフォワード成分を生成することができる。1つの実施形態によれば、燃料分析システム270は、燃料70に関する組成情報を決定することができる。例えば、燃料分析システム270は、燃料70中の、限定ではないがCO、H2、及びメタン(CH4)を含むことができる可燃性成分の濃度又は相対量を決定することができる。従って、燃料分析システム270は、このような成分を分離、検出、及び/又は分析できる1又は2以上の分析特徴要素を含むことができる。例えば、燃料分析システム270は、ガスクロマトグラフ、赤外分光計、紫外/可視分光計、蛍光光度計、質量分析計、核磁気共鳴(NMR)分光計のうちの何れか1つ又はこれらの組み合わせを含むことができる。一部の実施形態において、燃料分析システム270は、COセンサ、H2センサ、CH4センサ、H2、又は同様のセンサを含むことができる。
【0066】
燃料分析システム270は、図示の実施形態において燃料供給経路262に沿った何れかのポイントに好適に位置付けることができるが、燃料分析システム270は、燃料供給経路262から燃料70のスリップストリーム272を受け取るように構成される。すなわち、図示の実施形態において、スリップストリーム272は、燃料供給経路262から燃料分析システム270に分岐する経路に沿って提供される。作動中、燃料分析システム270は、CO、H2、及びCH4濃度など燃料70を分析し、燃料組成情報を断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的にコントローラ118に送信する。他の実施形態において、燃料分析システム270は、生データ(例えば、検出器信号)を、データを解析するコードを含むことができるコントローラ118に断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供することができる。
【0067】
コントローラ118はまた、フィードフォワード成分を決定するため酸化剤組成情報を利用する。上述のように、酸化剤68は、一般に、加圧周囲空気、加圧酸素富化空気、加圧低酸素空気、酸素、又は同様の酸化剤流れを含むことになる。燃焼プロセス中に一般的に利用される酸化剤は酸素(O2)を含むので、図示の当量比制御システム270は、酸化剤供給経路264に沿って配置された酸素センサ274を含む。酸素センサ274は、酸化剤68の流れにおける酸素量を測定/検出できる何れかの好適なセンサを含むことができる。このようなセンサは、限定ではないが、ジルコニアベース、電気化学ベース、赤外ベース、超音波ベース、及びレーザベースのセンサを含む。酸素センサ274は、コントローラ118に通信可能に結合され、酸化剤供給経路264を通って流れる酸化剤68中のO2の量を示すフィードバックを断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に提供する。特定の実施形態において、酸化剤68中のO2の量は、酸化剤68供給源(例えば、周囲空気、酸素富化又は低酸素空気)に応じて想定又は推定される量で想定又は推定することができる。
【0068】
1つの燃料分析システム270及び1つの酸素センサ274のみを有するように図示されているが、当量比制御システム260は、各々が2つ、3つ、4つ、5つ、又はそれ以上など、各々が1つよりも多く有することができる。実際に、現在ではこのようなセンサのあらゆる数が企図される。更に、燃料分析システム270及び酸素センサ274の位置付けは、これらの例示した位置に限定されない。例えば、燃料分析システム270は、燃料供給経路262に沿った何れかのポイントに位置付けることができ、酸素センサ274は、酸化剤供給経路264に沿った何れかのポイントに位置付けることができる。更に、上述のように、特定の実施形態において、酸素センサ274は、酸化剤供給経路264に沿って位置付けられていなくてもよく、分析のため酸化剤68のスリップストリームを受け取ることができる。
【0069】
この場合も同様に、コントローラ118により実施される制御動作のフィードフォワード成分は、燃料供給経路262に沿った燃料70の流量の調整及び/又は酸化剤供給経路264に沿った酸化剤68の流量の調整をもたらすことができる。従って、上記で検討した検知特徴要素に加えて、コントローラ118は、燃料流れ制御システム276及び酸化剤流れ制御システム278に通信可能に結合される。燃料流れ制御システム276は、図示のように、少なくとも、燃料流れ制御バルブ280及び燃料流れ制御バルブアクチュエータ282を含む。燃料流れ制御バルブ280は、燃料供給経路262に沿って配置され、燃料供給経路262に対する位置に応じて、燃料供給経路262に沿った燃料70の流れを停止、開始、低減、又は増大させるよう構成される。燃料流れ制御バルブ280の位置は、サーボモータ又は同様の駆動装置(例えば、ステッピングモータ)とすることができる燃料流れ制御バルブアクチュエータ282により調整される。このような実施形態において、燃料流れ制御バルブアクチュエータ282は、コントローラ118からの制御信号を受け取るよう構成されたローカル処理装置のようなサーボ位置決めシステムを含み、制御信号の結果として、これに応じて燃料流れ制御バルブアクチュエータ282が燃料流れ制御バルブ280を作動させるようにすることができる。燃料流れ制御システム276がデータを処理せず、又は制御信号に基づいた適切なサーボ位置決めを決定しない場合のような他の実施形態において、コントローラ118は、適切なサーボ位置決めを決定することができ、また、適切な制御信号を流れ制御バルブアクチュエータ282に送って、その位置を調整することができる。実際に、特定の実施形態において、コントローラ118は、本明細書で開示される流れ制御システムに適切な信号を提供して所望の流れレベルを得るようにそれぞれの位置を調整するよう各々構成された1又は2以上のサーボ位置決めモジュールを含むことができる。
【0070】
同様に、酸化剤流れ制御システム278は、図示のように、酸化剤流れ制御バルブ284及び酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ286を含む。酸化剤流れ制御バルブ284は、酸化剤供給経路264に沿って配置され、酸化剤供給経路264に対する位置に応じて、酸化剤供給経路264に沿った酸化剤68の流れを調整するよう構成される。酸化剤流れ制御バルブ284の位置は、サーボモータ又は同様の駆動装置とすることができる酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ286により調整される。このような実施形態において、酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ286は、コントローラ118からの制御信号を受け取るよう構成されたローカル処理装置のようなサーボ位置決めシステムを含み、制御信号の結果として、これに応じて酸化剤流れ制御バルブアクチュエータ286が酸化剤流れ制御バルブ286を作動させるようにすることができる。酸化剤流れ制御システム278がデータを処理せず、又は制御信号に基づいた適切なサーボ位置決めを決定しない場合のような他の実施形態において、コントローラ118は、適切なサーボ位置決めを決定することができ、また、酸化剤制御バルブアクチュエータ286に適切な制御信号を送ってその位置を調整することができる。
【0071】
この場合も同様に、コントローラ118は、燃料組成及び流れ情報、酸化剤組成及び流れ情報、周囲条件(例えば、温度、湿度)、燃料70及び/又は酸化剤68に関する温度情報、或いはこれらの組み合わせを含む上述の情報を(例えば、断続的に、一定の間隔で、又は実質的に連続的に)受け取り、制御のフィードフォワード成分を生成して、燃焼器160に対する燃料70及び/又は酸化剤68の流れを調整する。例えば、燃料組成が変化した(例えば、燃料を生成するのに使用される燃料供給原料の変動に起因して)場合、又は酸化剤の流れが変化した(例えば、主酸化剤圧縮機の作動変動に起因して)場合、又は同様の場合、コントローラ118は、燃料流れ制御システム276及び酸化剤流れ制御システム278の何れか又は両方に制御信号を送り、燃料70及び酸化剤68の流れを調整することができる。しかしながら、上述したように、このようなフィードフォワード制御に加えて、コントローラ118はまた、フィードバック制御も実施することができ、ここで、コントローラ118は、燃焼器160内で生じる燃焼プロセスを示すフィードバックの結果として、燃焼器160への燃料及び/又は酸化剤の流れの何れか又は両方を調整する。
【0072】
例えば、図示のように、当量比制御システム260はまた、排気ガス再循環経路110に沿って配置された排気ガス酸素センサ288を含み、該排気ガス再循環経路は、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、タービンセクション156(図3)、及びEGプロセスシステム54を通る流路を含むことができる。排気ガス酸素センサ288は、排気ガス60内の酸素の量(例えば、質量、容積、及び/又はモル単位の濃度)を決定するよう構成され、コントローラ118に通信可能に結合されて、この組成情報をコントローラ118に提供するようにする。排気ガス酸素センサ288又は別の排気ガス酸素センサは、排気ガス再循環経路110に沿って配置されるように図示されているが、排気ガス再循環経路110に沿って配置されていなくてもよく、但し、排気ガス60中の酸素の量を決定するために排気ガス再循環経路110から排気ガス60のスリップストリームを受け取ることは可能である。更に、抽出ポイント76(図3)のうちの1又は2以上に1又は2以上の排気ガス酸素センサを位置付けることができる。実際に、一部の実施形態において、排気ガス60の組成は、燃焼ダイナミックス及び燃焼生成物に影響を及ぼす可能性があるので、圧縮機セクション152に提供される排気ガス60の組成を検知することが望ましいとすることができる。
【0073】
排気ガス60に関する組成情報は、排気ガス60の酸素含有量に限定されない。むしろ、排気ガス60に関する組成情報は、排気ガス60内のCO、H2、CH4、NOx、水、又は他の成分に関する情報を含むことができる。従って、当量比制御システム260は、O2、CO、CO2、H2、CH4、水、NOx、又は同様の燃焼/部分燃焼生成物を検出できるセンサのうちの何れか1つ又はこれらの組み合わせを含むことができる。加えて、これらの可能性のある燃焼生成物に関する正確な情報を提供できることが望ましいので、センサ(例えば、排気ガス酸素センサ288)は、特定の成分(例えば、CO、H2、O2、NOx)を排気ガス60から除去できる触媒処理を排気ガス60が通過する前のように、タービンセクション156とEGプロセスシステム54との間の排気ガス再循環経路110に沿って位置付けることができる。
【0074】
以下で詳細に検討するように、コントローラ118は、排気ガス60に関して得られた組成情報を利用することができ、また、適切な場合には燃料供給経路262を通る燃料70の流れ、及び/又は酸化剤供給経路264に沿った酸化剤68の流れを調整して燃料70と酸化剤68の比を調整し、例えば、量論的燃焼を達成するよう制御部のフィードバック成分を生成することができる。これに加えて又は代替として、コントローラ118は、モデルベースの制御を利用し、ここでは、センサの出力がコントローラ118用の入力を生成するモデルへの入力として使用される。例示的なモデルは、物理ベースのモデル、数値流体力学(CFD)モデル、又は有限要素解析(FEA)モデルを含む。モデルはまた、エキスパートシステム(例えば、前向き連鎖エキスパートシステム、後ろ向き連鎖エキスパートシステム)、ニューラルネットワーク、ファジー論理システム、状態ベクトルマシン(SVM)、帰納推理システム、ベイズ推論システム、又はこれらの組み合わせなどの人工知能(AI)モデルを含むことができる。
【0075】
特定の実施形態において、コントローラ118は、量論的燃焼を達成しないが、ガスタービンエンジン150にかかる負荷を制御するために酸化剤流れを所定流量に維持することができる。他方、コントローラ118は、所望の当量比を維持するよう燃料70の流れを調整することができる。例えば、酸化剤の流れは、種々の圧縮機構成要素(例えば、入口ガイドベーン)を変えることによって制御することができるので、酸化剤の流れの変化に対するかかる構成要素による応答は、比較的緩慢(例えば、3〜5秒の間)になる可能性がある。このことは、組成の迅速な変化に応答するのには好適ではない場合がある。しかしながら、燃料70の流れは、以下で詳細に検討される方式で流れ制御バルブを移動させることによってより迅速に調整することができる。実際に、燃料70の流れを調整することにより、酸化剤68及び/又は燃料70の組成の種々の変化、及び/又は酸化剤68の流れの変化に迅速に対処できるようになる。量論的燃焼を維持するために燃料70の流れのみを変化させることは、少なくともこれらの理由で望ましいとすることができるが、本開示は、このような動作に限定されない。換言すると、燃料の流れを調整することに加えて、或いはその代わりに、酸化剤68の流れを変化させ、量論的燃焼又は目標当量比での燃焼を維持することができる。
【0076】
上述のように、コントローラ118は、フィードフォワード制御成分、フィードバック制御成分、又はこれらの組み合わせを用いて、燃料供給経路262及び/又は酸化剤供給経路264それぞれに沿って燃料70及び/又は酸化剤68の流れを制御するよう構成される。詳細には、コントローラ118は、図2に関して検討したように、プロセッサ120及びメモリ122を含み、ここでプロセッサ120は、1又は2以上のプロセッシングデバイスを含むことができ、メモリ122は、本明細書で記載される分析及び制御動作を実施するためにプロセッサ120によって実行可能な命令をまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体を含むことができる。1つの実施形態において、1又は2以上の命令セットは、フィードフォワード制御成分、フィードバック制御成分、又はこれらの組み合わせを生成するよう実施することができる。
【0077】
図6は、燃料及び酸化剤組成及び/又は流量情報を用いて燃料供給経路262(図5)に沿った燃料70の流れが制御されるフィードフォワード制御アルゴリズム320の1つの実施形態のフロー図を示す。具体的には、図示のように、フィードフォワード制御アルゴリズム320は、燃料組成入力322及び酸化剤組成入力324から始まる。燃料組成入力322は、燃料70の種々の可燃性成分(例えば、CO、H2、CH4)の濃度のような情報を含むことができ、図5に関して上記で検討したように、燃料分析システム270によりコントローラ118に提供することができる。
【0078】
酸素センサ274は、酸化剤組成入力324をコントローラ118に供給することができ、或いは、ユーザが、ローカル又はリモートインタフェース132、134(図2)を介して酸化剤68(例えば、周囲空気、酸素富化空気、低酸素空気、又は酸素)の供給源をコントローラ118に入力することができる。従って、1つの実施形態において、酸素組成入力324は、酸化剤68中のO2濃度、酸化剤68中のO2の分圧、酸化剤供給経路264に沿ったO2の流量、又はこれらの組み合わせ、もしくは酸化剤68中のO2の同様の測定値を含むことができる。本明細書で検討される濃度情報はまた、単位体積当たりの質量、単位流量当たりの質量、モル濃度(単位体積当たりのモル)、又は他の同様の測定基準に関しても提供することができる。
【0079】
燃料及び酸化剤組成入力322、324を用いると、プロセッサ120は、1又は2以上の命令セットを実行し、図6においてCALC−1で示された第1の計算326を実施して第1の出力328を求める。第1の出力328は、所与の燃料供給源(例えば、燃料70の組成に影響を及ぼす燃料70の特定の供給源)における量論的燃焼に好適な燃料−酸化剤比、或いは、燃料70及び酸化剤68の組成並びに燃料70及び酸化剤68の流量に基づいた当量比とすることができる。第1の出力328が燃料70の量論的燃焼に好適な燃料−酸化剤比である実施形態において、これは、本明細書ではFORSTとして示される。
【0080】
フィードフォワード制御アルゴリズム320はまた、セットポイントの当量比を表す入力当量比330(ΦREFとして表記される)を利用する。換言すると、ΦREF330は、コントローラ118の目標を表す。従って、量論的燃焼が望ましい実施形態において、ΦREF330は、約0.95〜1.05の間とすることができ、この場合、コントローラ118の目標は、燃焼器160内で生成される燃焼生成物にO2が実質的に存在せず、EGプロセスシステム54(図2)において1又は2以上の触媒を用いて残留量が他の形態に変換(例えば、還元)されるようなものである。
【0081】
ΦREF330及び第1の出力328(FORST)は、第2の出力334が求められる第2の計算332(CALC−2として表記)を受ける。1つの実施形態において、プロセッサ120は、1又は2以上の命令セットを実行し、例えば、乗算ΦREF330×FORSTによって第2の出力334を求めることができる。従って、第2の出力328は、所望の、目標の、又は基準の燃料−酸化剤比(FORREFで表記)とすることができる。換言すると、CALC−2 332は、一部の実施形態において、乗法ステップとすることができる。
【0082】
第2の出力334及び酸化剤流動値336(例えば、図5の酸化剤流量計274から得られる酸化剤68の流量)を用いると、コントローラは、燃料流れ基準値340(例えば、所望の又は基準燃料流れ)を求めるために、フィードフォワード計算とすることができる第3の計算(CALC−3で表記)を実施する。1つの実施形態において、第3の計算338は、量論的燃焼又は所望の当量比(ΦREF330により決定される)での燃焼を行う適切な燃料流動値(例えば、燃料70の流量)を決定するため、酸化剤流動値336と第2の出力334(FORREF)を乗算することを含むことができる。
【0083】
図6に示すように、燃料流れ基準値340は、燃料システム342に提供され、燃料流れ制御バルブ280(図5)の適切な位置付けを決定する。燃料システム342のこの決定は、コントローラ118のサーボ位置制御モジュールによって実施することができ、或いは、燃料流れ制御システム276(図5の燃料流れ制御バルブアクチュエータ282上に実装される)の一部とすることができる。
【0084】
本発明の実施形態によれば、フィードフォワード制御アルゴリズム320は、アルゴリズム320が制御しようとしているプロセスに関連していない入力に基づいて燃料の流れが制御される点でフィードフォワード制御機構とみなすことができる。換言すると、アルゴリズム320は、燃焼器160内の燃焼が所望の当量比にあるか否かを示すフィードバックを受け取らない。むしろ、アルゴリズム320は、単に、燃焼プロセスとは関係のない情報に基づいて燃料流れ基準値340を決定する。この場合も同様に、このようなフィードフォワード制御を利用して、燃料供給経路262に沿った燃料70のベースライン流れ又は粗い流れを確立することができる。
【0085】
上述のように、フィードフォワード制御を利用して、このような流れを確立することができるが、フィードバック制御を利用して燃料70の流れを微細化し、燃料70及び/又は酸化剤68のそれぞれの流れの測定欠陥、又はドリフト又は他の変動を考慮に入れることができる。従って、本発明の実施形態はまた、図7の概略図に示すように、複合制御アルゴリズム360の1つの実施形態を提供し、ここではフィードフォワード制御がフィードバック制御と組み合わされている(但し、何れか又は両方を用いることができる。
【0086】
上述のような複合制御アルゴリズム360は、フィードフォワードアルゴリズム部362と、フィードバックアルゴリズム部364とを含む。図示のように、フィードフォワードアルゴリズム部362は、第3の計算338によって生成される燃料流れ基準値340がフィードフォワード成分366と呼ばれることを除いては、図6に示したフィードフォワードアルゴリズム320にほぼ一致する。フィードフォワード成分366は、一部の実施形態において、第1のゲイン367を受けることができ、ここで第1のゲインは、フィードフォワード成分366を0〜1倍に調整することができる(すなわち、第1のゲイン367は、フィードフォワード成分366を0〜1の間の何れかの値で乗算することができる)。このようにして、アルゴリズム360の全体出力を求める際に、フィードフォワード成分366の完全値を利用することができ(ゲイン値1で)、又はフィードフォワード成分366を全く利用しない(ゲイン値0で)場合もある。
【0087】
複合制御アルゴリズム360のフィードバック部364は、ΦREF330の使用を含み、該ΦREF330は、上述のように、コントローラ118に予めプログラミングされた、又はユーザによりコントローラ118に入力される目標値とみなすことができる。フィードバック部364はまた、図7においてΦMで示される測定当量比368を使用し、排気ガス酸素センサ288及び/又は他のセンサ(例えば、COセンサ、CH4センサ、H2センサ)により得られるO2濃度情報に基づいて生成することができる。特定の実施形態において、ΦM368は、これらのセンサのうちの何れか1つ又はこれらの組み合わせからのセンサ出力に基づいてコントローラ118により計算することができる。例えば、コントローラ118は、排気ガス60中のO2の検出量と、当該量に関連する相関燃料−酸化剤比/当量比との間のテーブル関係を利用して、ΦM368を求めることができる。図8に関して以下で詳細に検討する他の実施形態において、コントローラ118は、適切な燃料−酸化剤比及び/又は適切な当量比に測定したO2レベルを関連付けるモデルのような1又は2以上のエミッションモデルを利用して、ΦM368を求めることができる。更に他の実施形態において、O2センサ288の出力は、排気ガス42の処理に使用される1又は2以上の触媒にて又はその近傍に位置する温度センサの1又は2以上の出力と置き換えるか、又はこれらに加えて使用することができる。例えば、1又は2以上の温度センサは、EGプロセスシステム54内のCO触媒と関連付けることができ、検出された温度の上昇は、排気ガス42中のCOレベルの増加(触媒活性の増加に起因した)と関連付けることができる。従って、触媒処理の温度は、排気ガス42中のCOレベルと相関関係があり、これを用いて燃料−空気比及び/又はΦM368を決定することができる。
【0088】
より詳細には、フィードバック部364は、偏差372又は誤差の判定を含む、フィードバック演算370を実施する。偏差372は、ΦREF330(例えば、当量比のセットポイント値)とΦM(例えば、当量比のプロセス値)との間の差違にほぼ一致することができる。換言すると、フィードバック演算370は、プロセスの結果が所定又は所望の結果と異なる程度を決定する。1つの実施形態において、フィードバック演算370は、ΦREFからΦMの減算を含むことができ、ここで偏差372の負の値は、プロセス(例えば、燃焼の)がリッチ(燃料70で)状態にあることを示し、偏差372の負の値は、プロセスがリーン状態であることを示すことができる。従って、以下で詳細に検討するように、偏差372の負の値は負のフィードバック入力をもたらすことができ、この場合燃料70の流れが減少し、偏差372の正の値は、正のフィードバック入力をもたらすことができ、この場合燃料70の流れが増大する。
【0089】
偏差372を用いると、複数のフィードバック制御演算を実施することができる。例えば、図示のように、偏差372は、フィードバック制御成分376(例えば、フィードバック部364から生じる流動値)を生成するために比例積分(PI)制御又は規制計算374の入力として使用される。制御又は規制計算は、PI制御又は規制計算を含むものとして図示されているが、限定ではなく比例積分微分(PID)制御計算を含む他のこのような計算を用いてもよい。PI又はPID制御計算は、一般に、偏差372に比例する成分、ある時間にわたる偏差372の積分である成分、及び特定の実施形態において、ある時間にわたる偏差372の微分である成分を有する燃料流動値をもたらす。従って、偏差372は、離散間隔又は時間期間にて計算することができ、ここでΦM368は、ある時間にわたって偏差372を積分/微分できるように実質的に連続して、又は断続的に、或いは一定間隔で計算/決定/測定される点は理解されたい。
【0090】
一般性を失うことなく、ブロック370、372、374は、限定ではないが、自動調整PIDアルゴリズム、状態変数又は状態フィードバックコントローラ、状態観測器又は推定器、カルマンフィルタ、位相平面、速示及びスイッチング又はバングバングコントローラを含む、フィードバック制御アルゴリズムの他の実施形態を表す他の計算と置き換えることができる点に留意されたい。
【0091】
上記で検討した方式でフィードバック成分376及びフィードフォワード成分366の両方を決定すると、プロセッサ120は、1又は2以上の命令セットを実行して、フィードフォワード成分366及びフィードバック成分376が組み合わされる組み合わせ演算378を実施する。組み合わせ演算378は、フィードフォワード成分366及びフィードバック成分376を用いて、乗算、除算、加算、減算、平均、又は他の何れかの数学演算を含むことができる。上述のように、第1のゲイン367は、完全値と無値の間(すなわち、アルゴリズム360の出力に対して全寄与とアルゴリズム360の出力に対して無寄与の間の全ての値)でフィードフォワード成分366をスケール調整するのに利用することができる。同様に、フィードバック成分376は、第2のゲイン377によりスケール調整することができ、該第2のゲインは、フィードバック成分376を0〜1倍に調整する(すなわち、第2のゲイン377は、フィードフォワード成分366を0〜1の間の何れかの値で乗算することができる)よう構成される。このようにして、アルゴリズム360の全体出力を求める際に、フィードバック成分376の完全値を利用することができ(ゲイン値1で)、又はフィードバック成分376を全く利用しない(ゲイン値0で)場合もある。すなわち、組み合わせ演算378は、一部の実施形態において、フィードフォワード成分366とフィードバック成分376のスケール調整された混合に相当することができる。これら2つの成分を混合するあらゆる方式を用いることができる。従って、一部の実施形態において、アルゴリズム360は、フィードフォワード制御のみ、フィードバック制御のみ、又はこれらの組み合わせの使用を可能にする。
【0092】
1つの実施形態において、組み合わせ演算378は、フィードフォワード成分366及びフィードバック成分376(又は第1及び第2のゲイン367、377それぞれにより生成されるスケール調整された値)の加算を含むことができる。非限定的な実施例として、フィードフォワード成分366が燃料流れの増加を示す大きな正値(例えば、燃料70中のCO濃度が低いことに起因した)であるが、フィードバック成分376が燃料流れの減少を示す小さな負値(例えば、燃焼ダイナミックスの流れの僅かな変動に起因した)である実施形態において、組み合わせ演算378にて生成される燃料流れ基準値380(例えば、制御信号)が燃料70及び酸化剤68の流量及び流れ組成を考慮し、また、測定欠陥、プロセス変動、実際の燃焼ダイナミックス、その他を考慮するように、フィードバック成分376は、フィードフォワード成分366を調整することができる。燃料流れ基準値380が決定された後、燃料供給経路262に沿った燃料70の流れの適切な制御のため上述のように燃料システム342に提供される。
【0093】
上記で開示された実施形態は、一般に、燃料70の制御に関するものであるが、これらの実施形態は、酸化剤68にも同様に適用できる点に留意されたい。例えば、特定の実施形態において、上述の実施形態に対する同様の動作は、燃料70の流れを実質的に一定の流量に保持しながら、又は量論的燃焼に関連しない他のプロセス目標に従って燃料70の流れを調整しながら、酸化剤68に提供することができる。従って、特定の実施形態において、フィードフォワード成分366は、酸化剤供給経路264に沿って酸化剤68のベースライン流量を確立することができ、フィードバック成分376は、酸化剤の流れを改善し、流れのドリフト又は他の変動、組成、或いは同様の要因に対して流量を修正する。
【0094】
更に、フィードバック部364は、1又は2以上のセンサからの組み合わせ制御アルゴリズム360への入力としてΦM368を示しているが、他の実施形態では、ΦM368は、図8に示すように、1又は2以上のモデルベースのプログラムの使用によって生成することができる。詳細には、図8は、組み合わせ制御アルゴリズム360の1つの実施形態を示すプロセス図であり、ここで、フィードバック部364は、ラムダセンサ(排気経路に沿って配置された酸素センサ)を用いてラムダセンサ出力392(例えば、排気ガス酸素センサ288の出力)を生成し、また、排気ガス再循環経路110(図2、5)に沿って位置付けることができる種々のエミッションセンサの1又は2以上の出力394を生成する。この場合も同様に、このようなエミッションセンサは、追加の酸素センサ、COセンサ、H2センサ、又は同様のセンサを含むことができる。上述のように、図7に関して、他の実施形態では、エミッションセンサ出力394及び/又はラムダセンサ出力392は、排気ガス42の処理に使用される1又は2以上の触媒にて又はその近傍に位置する温度センサの1又は2以上の出力と置き換えるか、又はこれらに加えて使用することができる。例えば、1又は2以上の温度センサは、EGプロセスシステム54内のCO触媒と関連付けることができ、検出温度の上昇は、排気ガス42中のCOレベルの増加と関連付けることができる。従って、触媒処理の温度は、排気ガス42中のCOレベルと相関関係があり、これを用いて、以下で説明されるプロセスに従ってΦM368を決定することができる。
【0095】
図示のように、排気ガス42中のCO、H2、O2、又は他のエミッションの量を示すセンサデータとすることができるエミッションセンサ出力394は、1又は2以上のエミッションモデル396に提供される。エミッションモデル396は、一般的には、CO、H2、O2の検出量に関するデータを組み合わせてΦ(すなわち、現在の又は測定した当量比)を求めることができ、これにより、より広い帯域の検知を可能にし、また、特定の実施形態においては、O2、CO及び/又はH2センサ単独での使用に比べて、Φをより正確に決定することが可能となる。エミッションモデル396は、コントローラ118のメモリ122上に格納されたコードとして実装することができ、ここでプロセッサ120が、1又は2以上の命令セットを有するモデル化モジュールを含むことができる格納されたコードを実行して、本明細書で開示されるモデル化を行う。
【0096】
本発明の実施形態によれば、1又は2以上のエミッションモデル396は、エミッションセンサ出力394をΦに相関付けることができる何れかの好適なタイプのモデルとすることができる。非限定的な実施例として、エミッションモデル396は、物理ベースモデル、数値流体力学(CFD)モデル、又は有限要素解析(FEA)モデルを含むことができる。モデルはまた、エキスパートシステム(例えば、前向き連鎖エキスパートシステム、後ろ向き連鎖エキスパートシステム)、ニューラルネットワーク、ファジー論理システム、状態ベクトルマシン(SVM)、帰納推理システム、ベイズ推論システム、又はこれらの組み合わせなどの人工知能(AI)モデルを含むことができる。
【0097】
エミッションモデル396はまた、これに加えて又は代替として、回帰分析モデルのような数学モデル、データマイニングモデル(例えば、クラスタリングモデル、分類モデル、アソシエーションモデル)、及び同様のものを含むことができる。例えば、クラスタリング技法は、何らかの形で「類似」しているデータのグループ又は構造を見つけ出すことができる。分類法は、例えば、Φが所望の値よりも大きいか又は小さいとすることができる指標を提示するセンサ出力のような、特定のグループのメンバとしてデータポイントを分類することができる。回帰分析は、一定の誤差範囲内にある将来動向をモデル化することができる関数を見つけるのに用いることができる。アソシエーション法は、変数間の関係を見つけるのに用いることができる。実際に、このようなモデルの何れか又は全ては本発明で企図され、本開示の範囲内にある。
【0098】
1又は2以上のエミッションモデル396は、1つの実施形態において、エミッションモデル396及びエミッションセンサ出力394に基づいてΦの推定(モデル)値、推定燃料−酸化剤比、又はこれら両方を含むことができるモデル出力398を提供することができる。他の実施形態において、モデル出力398は、種々のエミッションセンサによって出力されたデータを修正するよう構成された重み付け係数又は他の修正要素を提供することができ、これらは、コントローラ118がΦMを決定するのに使用する。例えば、このような実施形態において、モデル出力398は、CO濃度、H2濃度、又は同様のものなどの他の検知される変数を考慮に入れるようラムダセンサ出力392(例えば、排気ガス42中のO2濃度を示すセンサ出力)を重み付けする重み付け係数とすることができる。更に別の実施形態において、モデル出力398は、燃料−酸化剤比、ΦM又はその両方の可能性のある値のテーブルを含むことができ、コントローラ118は、ラムダセンサ出力392に基づいて燃料−酸化剤比及び/又はΦMの適切な値を選択することができる。
【0099】
従って、コントローラ118のプロセッサ120は、メモリ122上に格納された1又は2以上の命令セットを実行し、選択ロジック400を実施することができる。選択ロジック400は、ラムダセンサ出力392及びモデル出力398に基づいてΦMの種々の値(例えば、ΦMのテーブル)から選択することができ、又は、エミッションモデル396によって出力されたΦMの値及びラムダセンサ出力392の分析によって生成されたΦMの値から選択することができる。何れの場合においても、選択ロジック400は、ΦM368について適切な値を選択し、この値は、フィードバック成分376を生成するため、図7のアルゴリズム360に関して検討したのと同様にアルゴリズム390において使用される。
【0100】
図9は、選択ロジック400によるΦM368の適切な値の選択を修正又は影響を及ぼすようエミッションモデル396がエミッションセンサ出力394を利用する方法に関する1つの実施形態を示した概略図である。詳細には、図示のように、1又は2以上のエミッションモデル396は、COエミッションセンサ出力410及びO2センサ出力412を受け取る。図示の実施形態において、エミッションモデル396は、グラフ挿入図で示されるように、出力410、412をΦの特定の値と相関付ける。挿入図414で示されるように、エミッションモデル396は、排気ガス42内のCOに関する濃度又は他の値416を修正することができ、また、排気ガス42内のO2に関する濃度又は他の値418を修正することができる。エミッションモデル396はまた、特定の値416、418をΦの値と関連付けることができ、これは、挿入図414において線420として示される。挿入図414に示されるように、値416、418は、互いに依存関係にある。すなわち、O2値418が増大すると、CO値416は減少し、その逆もまた同様である。従って、エミッションモデル396は、ΦMの好適な値を識別するのに1つ(O2、CO、又はH2)の値、2つ(O2とCO、O2とH2、又はCOとH2)の値、3つ(O2、CO、及びH2)の値、又はそれ以上を用いることができる。この場合も同様に、上記で検討したように、エミッションモデル396は、選択ロジック400にモデル出力398を提供し、選択ロジック400は、モデル出力398及びラムダセンサ出力392から選択することができ、モデル出力398に基づいてラムダセンサ出力392を修正することができ、或いは、ラムダセンサ出力392に基づいてモデル出力398を修正し、ΦM368について適切な値を決定することができる。
【0101】
本明細書で検討した全ての制御アルゴリズムは、酸化剤供給経路264に沿った酸化剤68の流れを制御するのに同様に利用することができる点に留意されたい。酸化剤の流れが制御される一部の実施形態において、燃料−酸化剤比ではなく、空気−燃料比(AFR)を用いることができ、燃料−空気当量比(Φ)ではなく、空気−燃料当量比(λ)を用いることができ、ここでΦ=λ-1である。
【0102】
(補足説明)
本発明の実施形態は、排気ガス再循環ガスタービンエンジンにおいて所定の比での燃焼(例えば、量論的燃焼)のための酸化剤及び/又は燃料の流れを制御するシステム及び方法を提供する。上記で記載された特徴の何れか又はその組み合わせは、好適なあらゆる組み合わせで利用することができる点に留意されたい。当然ながら、このような組み合わせの全ての並び換えも本発明において企図される。例証として、以下の条項は、本開示の更なる説明として提供されるものである。
【0103】
実施形態1. ガスタービンシステムであって、
1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
1又は2以上の命令セットを実行して、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、酸化剤流れ情報、目標当量比、及びFORSTに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、ように構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、
を含むコントローラを備えた、ガスタービンシステム。
【0104】
実施形態2. タービン燃焼器に酸化剤の流れを送給するよう構成された酸化剤流路と、
酸化剤流路に沿って配置された酸素センサと、
を備え、酸素センサが、コントローラに通信可能に結合され、酸素センサが、酸化剤組成情報を決定するよう構成されている、実施形態1に記載のガスタービンシステム。
【0105】
実施形態3. 酸化剤組成情報が、酸化剤中の酸素濃度を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0106】
実施形態4. 酸化剤流路に沿って配置された酸化剤流量計を備え、酸化剤流量計が、コントローラに通信可能に結合され、酸化剤流量計が、酸化剤流れ情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0107】
実施形態5. 酸化剤流れ情報が、タービン燃焼器への酸化剤の流れの流量を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0108】
実施形態6. タービン燃焼器に燃料の流れを送給するよう構成された燃料流路と、
燃料流路から燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムと、
を備え、燃料分析システムが、コントローラに通信可能に結合され、燃料分析システムが、燃料組成情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0109】
実施形態7. 燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外/可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0110】
実施形態8. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、FORST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、FORREFを使用してフィードフォワード成分を生成するよう構成されており、フィードフォワード成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0111】
実施形態9. フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0112】
実施形態10. フィードフォワード成分が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸化剤流れ情報とFORREFを乗算することによって生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0113】
実施形態11. 燃料流れ制御システムを備え、燃料流れ制御システムが、燃料流路に沿って配置され、該燃料流れ制御システムが、少なくとも1つの酸化剤流れ制御バルブを含み、該少なくとも1つの酸化剤流れ制御バルブが、制御信号に応答して該バルブの位置を調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0114】
実施形態12. タービン燃焼器内での燃料及び酸化剤の燃焼によって生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
排気ガス流路が、
燃焼生成物から仕事を抽出してガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、タービンからの排気ガスを加圧してタービン燃焼器内で使用する排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
タービンと排気ガス圧縮機との間で排気ガス流路に沿って配置され、コントローラに通信可能に結合されて排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている1又は2以上の排気ガスセンサと、
を含み、プロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、排気ガス組成情報及び目標当量比を用いてフィードバック成分を生成するよう構成され、フィードバック成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0115】
実施形態13. 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0116】
実施形態14. フィードバック制御成分が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして目標当量比とプロセス値として排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0117】
実施形態15. 排気ガスの測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0118】
実施形態16. フィードバック成分が、タービン燃焼器への燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0119】
実施形態17. 1又は2以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0120】
実施形態18. 目標当量比が、酸化剤中に1.0±0.01、0.02、0.03、0.04、又は0.05の燃料/酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0121】
実施形態19. タービン燃焼器が、酸化剤の流れ、燃料の流れ、及び排気ガス希釈剤の流れを受け取るように構成されており、ガスタービンシステムが更に、タービン燃焼器に結合され、排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとしてタービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0122】
実施形態20. 下流側プロセスが、原油二次回収(EOR)システムを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0123】
実施形態21. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、酸化剤の流れに応じて燃料の流れを制御し、目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0124】
実施形態22. ガスタービンシステムであって、
排気ガス希釈剤の存在下で目標当量比にて燃料及び酸化剤を燃焼させて燃焼生成物を生成するよう構成されたタービン燃焼器と、
タービン燃焼器に酸化剤流量にて酸化剤を送給するよう構成された酸化剤流路と、
タービン燃焼器に燃料流量にて燃料を送給するよう構成された燃料流路と、
を備え、燃料流路が、1又は2以上の制御信号に応じて燃料流量を調整するよう構成された燃料流れ制御システムを含み、
ガスタービンシステムが更に、
流れ制御システムに通信可能に結合されたコントローラを備え、
コントローラが、
1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体と、
1又は2以上の命令セットを実行して、燃料流れ制御システムに1又は2以上の制御信号を提供するよう構成された1又は2以上のプロセッシングデバイスと、
を含み、1又は2以上の制御信号が、燃焼器への燃料流量を制御して、目標当量比でのタービン燃焼器における燃焼を可能にし、1又は2以上の制御信号が、フィードバック成分及びフィードフォワード成分を含む、ガスタービンシステム。
【0125】
実施形態23. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、燃料の組成、酸化剤の組成、及び酸化剤の流量に少なくとも基づいてフィードフォワード成分を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0126】
実施形態24. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、
酸化剤に関する酸化剤組成情報及び燃料に関する燃料組成情報に基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、
FORST及び目標当量比に基づいて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、
FORREF及び酸化剤流量を用いてフィードフォワード成分を生成する、
ことによってフィードフォワード成分を生成するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0127】
実施形態25. フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0128】
実施形態26. 燃料流路から燃料のスリップストリームを受け取るよう構成された燃料分析システムを備え、燃料分析システムが、燃料組成情報を決定するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0129】
実施形態27. 燃料分析システムが、ガスクロマトグラフ、燃料分析器、赤外分光計、紫外/可視分光計、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0130】
実施形態28. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、
排気ガス希釈剤の目標当量比及び測定した当量比に基づいて偏差を決定し、
偏差を入力として用いて比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することによりフィードバック成分を生成する、
ことによってフィードバック成分を決定するよう構成されている、実施形態23に記載のガスタービンシステム。
【0131】
実施形態29. タービン燃焼器内で生成される燃焼生成物から生じる排気ガスを流すよう構成された排気ガス流路を備え、
排気ガス流路が、
燃焼生成物から仕事を抽出してガスタービンシステムのシャフトを駆動し且つ排気ガスを発生させるよう構成されたタービンと、
ガスタービンシステムのシャフトによって駆動され、タービンからの排気ガスを加圧して排気ガス希釈剤を生成する排気ガス圧縮機と、
タービンと排気ガス圧縮機との間で排気ガス流路に沿って配置され、コントローラに通信可能に結合されて排気ガスに関する排気ガス組成情報を決定するよう構成されている1又は2以上の排気ガスセンサと、
を含み、1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、排気ガス組成情報から排気ガスの測定した当量比を決定する、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0132】
実施形態30. 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0133】
実施形態31. 排気ガス希釈剤の測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0134】
実施形態32. フィードバック成分が、燃料流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0135】
実施形態33. 1又は2以上の排気ガスセンサが、ラムダセンサ、一酸化炭素センサ、水素センサ、湿度センサ、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0136】
実施形態34. 目標当量比が、酸化剤中に1.0±0.01、0.02、0.03、0.04、又は0.05の燃料/酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0137】
実施形態35. タービン燃焼器に結合され、排気ガス希釈剤の少なくとも一部を抽出した排気ガスとしてタービン燃焼器から下流側プロセスに流すように構成された排気ガス抽出流路を備える、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0138】
実施形態36. 下流側プロセスが、原油二次回収(EOR)システムを含む、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0139】
実施形態37. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、酸化剤の流れに応じて燃料の流れを制御し、目標当量比での燃焼を可能にするよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0140】
実施形態38. 1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行可能な1又は2以上の命令セットをまとめて格納する1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体であって、1又は2以上の命令セットは、1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、
ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される燃料に関する燃料組成情報を受け取り、
ガスタービンシステムのタービン燃焼器における燃焼に使用される酸化剤に関する酸化剤組成情報を受け取り、
タービン燃焼器への酸化剤の流れに関する酸化剤流れ情報を受け取り、
燃料組成情報及び酸化剤組成情報に少なくとも基づいて量論的燃料−酸化剤比(FORST)を決定し、
FORST及び目標当量比を用いて基準燃料−酸化剤比(FORREF)を決定し、
酸化剤流れ情報及びFORREFに基づいてタービン燃焼器への燃料の流れを制御して、タービン燃焼器内で再循環された排気ガスの存在下で燃料と酸化剤との間の目標当量比での燃焼を可能にするよう構成された燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号を生成する、
ようになっている、1又は2以上の有形の非一時的機械可読媒体。
【0141】
実施形態39. 酸化剤組成情報が、酸化剤中の酸素濃度を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0142】
実施形態40. 酸化剤流れ情報が、タービン燃焼器への酸化剤の流れの流量を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0143】
実施形態41. 1又は2以上の命令セットが、1又は2以上のプロセッシングデバイスによって実行されたときに、酸化剤流れ情報及びFORREFを用いてフィードフォワード成分を生成するようになっており、フィードフォワード成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0144】
実施形態42. フィードフォワード成分が、タービン燃焼器への燃料の流れのベースライン流量を確立するよう構成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0145】
実施形態43. フィードフォワード成分が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸化剤流れ情報とFORREFを乗算することによって生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0146】
実施形態44. 1又は2以上のプロセッシングデバイスが、1又は2以上の命令セットを実行して、再循環排気ガス及び目標当量比に関する排気ガス組成情報を用いてフィードバック成分を生成するよう構成されており、フィードバック成分が、燃料流れ制御システムへの入力のための制御信号の少なくとも一部を含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0147】
実施形態45. 排気ガス組成情報が、排気ガスの酸素濃度、燃料濃度、燃料−酸化剤比、当量比、又はこれらの何れかの組み合わせを含む、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0148】
実施形態46. フィードバック制御成分が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、設定ポイントとして目標当量比とプロセス値として再循環排気ガスの測定当量比とを用いて、比例積分(PI)制御アルゴリズム又は比例積分微分(PID)制御アルゴリズムを実施することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0149】
実施形態47. 再循環排気ガスの測定当量比が、1又は2以上の命令セットの実行を介して、酸素レベル、一酸化炭素レベル、水素レベル、又はこれらの何れかの組み合わせを考慮したエミッションモデルと排気ガス組成情報を比較することにより生成される、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0150】
実施形態48. フィードバック成分が、タービン燃焼器への燃料の流量のドリフト及び変動を考慮するようにタービン燃焼器への燃料の流れを調整するよう構成されている、前述の何れかの実施形態に記載の媒体。
【0151】
実施形態49. 目標当量比が、酸化剤中に1.0±0.01、0.02、0.03、0.04、又は0.05の燃料/酸素である、前述の何れかの実施形態に記載のガスタービンシステム。
【0152】
実施形態50. タービン燃焼器における燃焼から生じる燃焼生成物には、未燃燃料又は酸化剤が残留していない、前述の何れかの実施形態の媒体又はシステム。
【0153】
実施形態51. タービン燃焼器における燃焼から生じる燃焼生成物が、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)未満の酸化剤、未燃燃料、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有する、前述の何れかの実施形態の媒体システム。
【0154】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。
図1
図2
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図5
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図7
図8
図9
【国際調査報告】