(57)【要約】【課題】乾式低ＮＯｘ型ガスタービン（２００）の動作のために一次ガス燃料（３０５）に安価な二次ガス（３２０）を配合するための融通性のある自動的なシステム及び方法を提供する。【解決手段】二次ガス（３２０）は、水素、エタン、ブタン、プロパン及び液化天然ガスのようなガス燃料、或いは不活性ガスとすることができる。配合燃料（３５５）を変形ウォッベ指数について許容範囲に制御することによって燃焼ダイナミクスを回避する。配合燃料（３５５）による安全な燃焼を維持するために、燃焼ダイナミクス（３７５）及びガスタービン排出物（３７０）もまた監視することができる。ガスタービン制御システム（２９０）により、所望の燃焼を促進するために一次ガス燃料（３０５）及び二次ガス（３２０）の配合（３５５）及び温度（３６１）を調節することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次ガス燃料供給システム（３０５）と、
二次ガス供給システム（３２０）と、
当該燃焼器の軸に中心合わせされた中心燃料ノズルと該中心ノズルの周りに同心円状に配列された複数の一次ノズルとによって供給される単一の下流燃焼区域を含む燃焼器（２５５）であって、前記一次ノズル及び前記中心燃料ノズルが燃料配合物を燃焼器用の空気と予混合し、更に、前記燃料配合物が、前記一次ガス燃料供給システムからの一次ガス燃料（３０５）及び前記二次ガス供給システムからの二次ガス（３２０）を含んでいる、当該燃焼器（２５５）と、
ガスタービン制御システム（２９０）と、
排出制御監視システム（２９５）と、
燃料品質監視システム（３８０）を含むと共に、燃料配合物（３５５）の所定の品質範囲及び燃焼ダイナミクスの回避に従って前記一次ガス燃料供給装置からの一次ガス燃料（３０５）と前記二次ガス供給システムからの二次ガス（３２０）との燃料配合物（３５５）を制御するのに適合した燃焼ダイナミクス監視システム（３７５）を含んでいる配合燃料制御機能（３００）と、
有している乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項２】
前記配合燃料制御機能（３００）は更に、排出物（３７０）を所定の限界（３８０）内に制御することに従って、前記一次ガス燃料供給装置からの一次ガス燃料（３０５）と前記二次ガス供給システムからの二次ガス（３２０）との配合を制御するのに適している、請求項１記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項３】
前記一次ガス燃料（３０５）は天然ガスを有し、また前記二次ガス（３２０）は希釈剤及びガス燃料の内の一方を有している、請求項１記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項４】
前記二次ガス燃料（３２０）は、水素ガス、エタン、ブタン、プロパン及び液化天然ガスの内の少なくとも一種類を有している、請求項３記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項５】
前記燃料品質監視システムは、
前記燃料配合物（３５５）のガス種目測定濃度を測定するのに適している燃料品質監視センサ（３６４）と、
前記燃料配合物（３５５）についての温度測定（３６１）と、
前記燃料配合物（３５５）の変形ウォッベ指数（ＭＷＩ）についての計算器（３６５）と、
を有している、請求項１記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項６】
前記配合燃料制御機能（３００）は更に、
前記燃料配合物（３５５）についての所定の配合比と、
前記燃料配合物（３５５）についての計算された変形ウォッベ指数（ＭＷＩ）（３６５）の許容範囲と、
前記燃料配合物（３５５）についての計算されたＭＷＩ（３６５）を前記許容範囲内に維持するのに適した、前記燃料配合物（３５５）についての所定の配合比と前記一次ガス燃料（３０５）及び二次ガス（３２０）の温度（３３６，３４１）との内の少なくとも１つの調節と、
を有している、請求項５記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項７】
前記燃料配合物（３５５）についての計算されたＭＷＩ（３６５）の前記許容範囲は、前記ガスタービン（２００）の動作状態について前記制御システム（２９０）によって決定されたＭＷＩ値の約＋５％〜−５％の範囲を含んでいる、請求項６記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項８】
（欠番）
【請求項９】
前記配合燃料制御機能（３００）は更に、
前記燃焼ダイナミクス監視システムから前記制御システムへの燃焼ノイズ入力（３７５）と、
前記燃焼ノイズ入力（３７５）に基づいた前記配合燃料（３５５）による動作のための前記燃焼ダイナミクスの許容可能性の評価（３８０）と、
許容できない燃焼ダイナミクスを回避するための、前記燃料配合物（３５５）と前記一次ガス燃料（３０５）及び前記二次ガス（３２０）の内の少なくとも一方の温度（３３６，３４１）との内の少なくとも１つの調節と、
有している、請求項１記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【請求項１０】
前記配合燃料制御機能は更に、
許容限界（３８０）の外での排出物制御（３７０）を回避するための、前記燃料配合物（３５５）と前記一次ガス燃料（３０５）及び前記二次ガス（３２０）の内の少なくとも一方の温度（３３６，３４１）との内の少なくとも１つの調節を含んでいる、請求項９記載のＤＬＮ型燃焼ガスタービン（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、燃焼ガスタービンに関し、より具体的には、一次ガス燃料に二次ガスを配合して、その配合燃料混合物でガスタービンを動作させるためのシステム制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃焼システムを備えた重構造ガスタービンは、典型的には、１００％パイプライン天然ガス燃料で動作させていた。近年、天然ガス燃料の価格が劇的に上昇し続けていることにより、燃焼タービン発電所では天然ガス燃料の代替物を探索することが必要になっている。米国及び世界中の他の地域で液化天然ガス（ＬＮＧ）導入のために幾つかのターミナルが許可されつつあるので、多くの発電所は輸入液化天然ガス（ＬＮＧ）のような代替燃料の使用を検討している。燃焼ガスタービンを用いる或る特定の工業及び石油化学事業では、化学プロセス中に副産物として水素含有プロセス・ガス（「オフガス(off-gas) 」としても知られている）も生成する。これらのプロセス・ガスは屡々かなりの発熱量を保有している。プロセス・ガスは、水素と共に、炭化水素類、例えば、メタン、エタンなどを有している。上記のような事業では、主要な天然ガス燃料の供給に幾分かの割合のプロセス・オフガスを配合することによって、燃焼ガスタービンについての天然ガス燃料消費量を低減することが望ましい。他の例では、燃料空気混合物に非燃料ガスを添加することにより、ガスタービンからの出力を増大させることができる。
【０００３】
低窒素酸化物（ＮＯｘ）排出型燃焼システムを備えたガスタービンは、典型的には、希薄予混合燃焼として知られているプロセスを用いており、この場合、熱的ＮＯｘ生成を制御し制限するために、燃料と燃焼空気とが燃焼区域の上流で混合される。このような燃焼システムは屡々、比較的狭い範囲の燃料噴射圧力比及び燃料組成で良好に機能する。ガスタービン燃焼システムが上記の範囲から外れて動作した場合、燃焼ダイナミクス(combustion dynamics) レベル（振動性燃焼プロセスに起因したノイズ圧力波）が、燃焼用部品に著しい疲労を引き起こすほどに大きくなることがあり、これにより保守点検間隔を短くすることを要し、或いは修理不可能なハードウエアの損傷及び強制的な動作停止を招きさえもする。歴史的には、一般にパイプライン天然ガスの組成、詳しくはそのウォッベ指数（ＷＩ；Wobbe Index)及び変形ウォッベ指数（ＭＷＩ）は殆ど変化していない。ＭＷＩは次式
ＭＷＩ＝［ＬＨＶ／（ＳＧ＊Ｔ）１／２  ］
を用いて計算される。ここで、ＬＨＶは燃料の低位発熱量（ＢＴＵ／ＳＣＦＴ）を表し、ＳＧは空気に対する燃料ガスの比重を表し、Ｔはガス燃料温度をランキン温度（これは絶対温度としても知られている）で表す。燃焼タービン燃料ノズルの大きさは天然ガス燃料ＭＷＩの限られた範囲の変動に対して定められており、ガスタービン業界において一般に容認されているＭＷＩの許容変動は±５％である。
【０００４】
多くの低ＮＯｘ燃焼システムでは、屡々、入来するガス燃料のＭＷＩが燃料温度の変化又は低位発熱量（ＬＨＶ）に影響する燃料組成の変化のいずれかに起因にして変わるとき、ダイナミクスの許容可能なレベルを維持するために、燃料スケジュールの定期的な調節が必要とされる。このような燃料スケジュール調節（これは「再チューニング」とも称される）は、最初の設備製造者（ＯＥＭ）からの熟練した専門家及び計装を必要とするので経費がかかる。
【０００５】
この結果、タービン設備提供者は、典型的には、提供者のＤＬＮ（乾式低ＮＯｘ）型ガスタービン用の燃料の成分を厳密に制御している。結果として、燃料規格は、典型的には、希釈予混合燃焼システムの燃料ガス中に如何なる量でも水素の存在を許していない。と云うのは、導入する水素によって危険性が増大するからである。
【０００６】
米国特許第６０８２０９２号（発明者ヴァンダーヴォート）には、ガスの変形ウォッベ指数（ＭＷＩ）を監視することによって、ガス燃料のＭＷＩを燃焼システムに要求される比較的狭い範囲内に維持するように、燃料の予熱温度を上下に調節できることが教示されている。
【０００７】
また天然ガス燃料と他のガス燃料との混合物を配合燃料として利用する試みが多種多様な用途で為されている。米国特許第６８７４３２３号（発明者；スチュッタフォード）には、水素ガスの局部的な濃度が混合物の質量の０．１質量％よりも大きく且つ燃焼室内で混合物を燃焼する前の混合物の２０質量％よりも小さくなるように、天然ガスと水素ガスとの混合物をガスタービンの燃焼室に供給することによって、窒素酸化物の全排出量を低減するように、特殊な燃焼器構造を持つガスタービンを動作させる方法が記載されている。米国特許第６２８２８８３号（発明者；ウエマツ等）には、タービンを駆動するための高温蒸気を発生するために水素と酸素を燃焼させるための水素燃焼タービン・プラントに設けられる簡易プラント始動法が示されている。また米国特許第６８９０６７１号（発明者；ロッシュ等）には、燃料電池発電所に関して、より具体的には、複数の燃料源による燃料電池発電所の動作に関して記載されている。複数の燃料で動作する燃料電池発電所のために燃料混合制御機構が設けられている。
【０００８】
しかしながら、上述の従来技術のいずれも、ＤＬＮ型ガスタービン燃焼器において一次ガス燃料に二次ガス又はガス燃料を配合して、この燃料配合物を全ての燃焼器ノズルで予混合し且つ単一の下流燃焼区域内で燃焼させるためのシステムを提供していない。また従来技術では、燃焼ダイナミクスを回避し且つ低タービン排出物を維持するように燃料配合物を制御していない。更に、燃料の配合に関して、一次ガス燃料に窒素及び二酸化炭素のような非燃料の代替ガスを添加することは、このような用途では記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５２９３８５７号
【特許文献２】米国特許第６０８２０９２号
【特許文献３】米国特許第６２８２８８３号
【特許文献４】米国特許第６８７４３２３号
【特許文献５】米国特許第６８９０６７１号
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７００８９４２６号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００８０１５５９８７号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８０２６７７８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、燃焼タービン発電所所有者が天然ガス燃料消費量の低減と、温室効果ガス排出量の低減と、運転コストの低減と、燃料融通性の向上とを同時に行えるようにするシステムを提供する必要性がある。このシステムは、配合燃料ガス特性が燃焼燃料ノズル設計のために許容可能な範囲内にあるように、低ＮＯｘ排出型燃焼制御装置を備えた燃焼タービンの一次ガス燃料システムに注入される代替ガス又は代替燃料（例えば、水素、プロパン、ブタン、ＬＮＧなど）の量を制御し調節しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型ガスタービンの動作のために一次ガス燃料に安価な二次ガスを配合するための融通性のある自動システムに関するものである。第１の面によれば、一次ガス燃料と二次ガスとの燃料配合物による動作を可能にするＤＬＮ型燃焼ガスタービンを提供する。この燃焼ガスタービンは、一次ガス燃料供給システム及び二次ガス供給システムを含む。複数の燃焼器の各々が、該燃焼器の軸に中心合わせされた中心燃料ノズルと該中心ノズルの周りに同心円状に配列された複数の一次ノズルとによって供給される単一の下流燃焼区域を含む。一次ノズル及び中心燃料ノズルは燃料配合物を燃焼器用の空気と予混合する。燃料配合物は、一次ガス燃料供給システムからの一次ガス燃料と、二次ガス供給システムからの二次ガスとを含む。
【００１２】
ＤＬＮ型ガスタービンはまた、ガスタービン制御システム、排出物制御監視システム、及び配合燃料制御機能を備える。配合燃料制御機能は、燃料品質監視システムと、燃料配合物の所定の品質範囲及び燃焼ダイナミクスの回避に従って一次ガス燃料供給装置からの一次ガス燃料と二次ガス供給システムからの二次ガスとの燃料配合物を制御するのに適合した燃焼ダイナミクス監視システムとを含む。
【００１３】
本発明の別の面によれば、一次ガス燃料及び二次ガスより成る燃料配合物でＤＬＮ型燃焼ガスタービンを動作させる方法が、燃焼器の軸に中心合わせされた中心燃料ノズルと該中心ノズルの周りに同心円状に配列された複数の一次ノズルとによって供給される単一の下流燃焼区域を持つ当該燃焼器について提供される。一次ノズル及び中心燃料ノズルは燃料配合物を燃焼器用の空気と予混合する。
【００１４】
本方法は、一次ガス燃料供給装置から一次ガス燃料を供給する段階と、二次ガス供給装置から二次ガスを供給する段階と、一次ガス燃料及び二次ガスの所定の範囲内の燃料配合物で燃焼ガスタービン用の少なくとも１つの燃焼器を動作させる段階とを含む。本方法はまた、燃料配合物の品質を監視する段階と、燃料配合物を用いた動作中に燃焼ノイズを監視する段階とを含む。本方法は、燃料配合物の品質の許容範囲及び燃焼ダイナミクスの回避に従って、一次ガス燃料供給装置からの一次ガス燃料と二次ガス供給システムからの二次ガスとより成る燃料配合物を制御する。
【００１５】
本発明のこれらの及び他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。図面において、同様な参照符号は図面全体を通じて同様な部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、天然ガス燃料のＭＷＩについての代替燃料（例えば、水素、プロパン、ブタン等）の注入の影響を例示するグラフである。
【図２】図２は、タービン排出物及び燃料制御システムの構成を例示する概略図である。
【図３】図３は、本発明による燃料配合及び制御システムの一実施形態を例示する概略図である。
【図４】図４は、一次ガス燃料に二次ガスを配合する方法を例示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の以下の実施形態は、ＤＬＮ型燃焼ガスタービン用の一次天然ガス燃料に所望量の代替ガスを配合するための方法及びシステムを提供することを含めて、多くの利点を持つ。代替ガスは、代替ガス燃料（例えば、水素、エタン、ブタン、プロパン、ＬＮＧなど）、或いは不活性ガス（例えば、窒素及び二酸化炭素）とすることができる。実施形態では、融通性のある自動制御法を提供し、これにより比較的安価な代替ガスを燃焼タービンの天然ガス消費量の一部として補足することができる。本発明の重要な要素は、既存の燃焼ガスタービン制御装置を、所望量の代替ガスを導入するために用いられる代替ガス注入モジュール、配合燃料混合物の特性を測定するための（ガスクロマトグラフ・システムのような）燃料品質センサ、及び燃焼プロセスを監視するためのセンサと統合することよりなる。現場の構成及び既存の燃料供給システムのハードウエアに依存して、代替燃料注入モジュールは、ガス燃料ヒータと、又は燃料管（配管）と、又は配合燃料ガス特性を調節するための別の／独立のスキッドとして統合することができる。燃焼タービンにおける代替ガス燃料の消費の結果として、大幅に天然ガス燃料を節約し、温室効果ガス排出量を低減し、また発電所所有者にとって運転コストを節約することができる。その上、プロセス・ガスの処分（例えば、貯蔵、洗浄、余剰ガス燃焼など）に関連した余分なコストを削除することができる。
【００１８】
本システムは、発電所で或る量の代替ガスを配合することを可能にすることによって、乾式低ＮＯｘ排出型燃焼システムに適合したガスタービンの燃料融通性を増大させる。このような燃料融通性の結果として、かなりの天然ガス燃料を節約すること、及び発電所所有者に対してガスタービン運転コストを減じることが可能になる。５％の水素の配合を可能にする方策では、一年間で１つのタービン当り数百万ドルに相当する燃料節約を行うことができる。天然ガスの価格が上昇したとき、又は水素の配合量が増大させられる場合、顧客の燃料節約を増大させることが可能である。
【００１９】
以下に提供する方法は、配合燃料の（ＭＷＩ、温度、圧力のような）燃料特性の変動が典型的な低ＮＯｘ排出型燃焼システムにとって許容可能な範囲内にあるように、一次ガス燃料と二次ガスとの比を制御する。燃焼システムに対する費用のかかるハードウエアの変更を必要とせずに、ガスタービンの燃料融通性が高められ且つ代替燃料の消費が許される。更に、本書で開示する自動化した融通性のある制御方法は、水素、エタン、ブタン、プロパン、ＬＮＧなどのような幾つかの種類の二次ガス燃料、並びに他の希釈ガスを配合するために使用することができる。
【００２０】
図１は、一次天然ガス燃料との燃料配合物のＭＷＩについての（水素、プロパン、ブタンなどのような）二次ガス燃料の注入の影響を例示する。天然ガスの組成は、北米の一部の地域内の発電所で通常消費している典型的なパイプライン品質の天然ガス燃料に対応する。燃焼燃料ノズルについてガスタービン業界において一般に容認されているＭＷＩの許容変動は±５％である。図１は、（３００°Ｆのガスを持つ）燃料配合物のＭＷＩの百分率変化を、天然ガスを持つ燃料配合物中の特定の二次ガス燃料の百分率に対して示している。ブタン・ガス燃料配合物１２０では約５％のブタン・ガスのときに＋５％ウォッベ境界線１０５と交差する。プロパン・ガス燃料配合物１３０では約８％のプロパン・ガス燃料の配合のときに＋５％ウォッベ境界線１０５と交差する。水素ガス燃料配合物１４０では約１８％の水素ガスのときに−５％ウォッベ境界線１１０と交差する。図１は、二次燃料によっては、配合割合が比較的大きくてもＭＷＩの変化が５％未満であることを示しているが、多量の二次燃料を混合することを妨げる他の実用的な動作上の制約がある。
【００２１】
本発明による燃料供給システムは、（燃料ガスの組成を決定して、入来するガス燃料のＬＨＶの計算ができるように、ガス種目の濃度を測定するための、ガスクロマトグラフ・システム又は他の装置のような）燃料品質監視センサを含む。次に、入来するガス燃料の決定されたＬＨＶを用いることにより、瞬時ＭＷＩを決定して、一次ガス燃料と二次ガス燃料との混合比を自動的に調節することができる。ガス予熱温度を増減する要求を燃料ヒータ制御システムに帰還することによって、燃焼ダイナミクス・レベルの有意な変化及びＮＯｘ排出の微小変化を生ぜずに、よりずっと広範囲の燃料組成及びその結果のＭＷＩレベルを用いることができる。
【００２２】
二次ガス供給システムは、制御した量の二次ガスを一次ガス燃料供給システムに配合するために使用される。二次ガス供給システムは、ガス制御弁、停止弁、相互接続配管、圧力計、質量流量計、温度計などを含むことができ、また一次天然ガス燃料供給システム用の既存の配置構成と同様であってよい。二次ガス供給システムはモジュール形態であってよい。
【００２３】
ガスタービン制御装置のソフトウエアは、二次ガス供給装置が要求信号に従って所望量の二次ガスを注入できるように修正することができる。要求信号は制御装置において設定することができ、或いはオペレータ設定可能とすることができる。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態に従ったＤＬＮガスタービン排出物及び燃料制御システム２００の基本的な構成を例示する概略図である。入口ダクト２０５が外部空気２０６を受け取って、該空気を入口案内静翼２１０に供給する。入口案内静翼２１０は圧縮機２１５への空気の流れを制御する。圧縮機２１５はガスタービン２３０の駆動シャフト２２０で駆動することができる。動作しているタービン２３０の駆動シャフト２２０は、電力を発生するために発電機２３５を駆動する。燃料供給システム２４５からの燃料２４０及び圧縮機２１５からの圧縮空気２５０が複数の燃焼器２５５に供給され、燃焼器２５５で燃料及び空気が混合され燃焼して、高温ガスを発生する。高温ガス２５６はタービン２３０を駆動するように送給されて、排気ダクト２６０を通って排出される。（ゼネラル・エレクトリック社製のスピードトロニック・マーク（Speedtronic Mark；登録商標）制御装置のような）ガスタービン制御装置２９０が、燃焼ガスタービンについて全体的な制御を行う。
【００２５】
制御装置２９０は、燃料供給システム２４５から配合燃料について測定され且つ計算された値を受け取ることができる。このような計算された値は、燃料配合物についてのＭＷＩを含むことができる。制御装置２９０は、燃料配合物についての様々な計算された値が許容限界内に維持されること、特に配合燃料についてのＭＷＩが許容限界内に留まることを要求することができる。配合燃料についての測定され又は計算されたＭＷＩが許容範囲から外れた場合、制御装置２９０は、これに応答して、燃料供給システム２４５とのリンク２４６を介して燃料２４０の温度及び配合を調節することができる。
【００２６】
排出物監視システム２９５が排気ダクト２６０からの排出ガス２６１をサンプリングして、表示及び制御信号２９６を制御装置２９０に供給する。排出物が配合燃料混合物による動作中に規格内に維持されていない場合、制御装置２９０は、これに応答して、燃料供給システム２４５の燃料２４０の温度及び配合を調節する信号（２４６）を送ることができる。制御システムは更に、燃焼器２５５上に燃焼音響モニタ２８５を含むことができ、これは、燃焼器２５５が安全に動作しているかどうか解釈することのできる表示及び制御信号２８６を制御装置２９０に供給する。燃焼器２５５が配合燃料混合物の下で安全に動作していない場合、制御装置２９０は、これに応答して、燃料供給システム２４５の燃料２４０の温度及び配合を調節すること（２４６）ができる。
【００２７】
図３は、本発明による燃料配合及び制御システムの一実施形態を例示する概略図である。一次ガス燃料供給３０５が一次燃料ヒータ３１０及び一次燃料流量制御３１５を介して行われる。二次ガス供給３２０が二次ガス・ヒータ３２５及び二次ガス流量制御３３０を介して行われる。
【００２８】
一次ガス燃料及び二次ガスの両方についてのガス供給ハードウエアは、停止弁、制御弁、リミット・スイッチ、圧力及び温度計、フランジ接続部、配管接続部などを含むことができる。上記の弁は燃焼タービン制御装置により電気的に又は空気圧で作動することができる。一次ガス燃料センサ３３５が一次燃料パラメータの測定のために設けられ、また二次ガスセンサが二次ガスパラメータの測定のために設けられる。一次ガス燃料について及び二次ガスについて測定されるパラメータには、温度３３６，３４１、圧力３３７，３４２、流量３３８，３４３、及びガス消費量３３９，３４４を含むことができる。
【００２９】
燃料品質監視には、ガスクロマトグラフ又はガス消費量の測定のための他の同様な計器を設けることを必要とすることがある。この代わりに、既存のガスクロマトグラフを持つ発電所はこれらの計器を本システムの実施形態に統合することができる。一次ガス燃料及び二次ガスのそれぞれのための個別の流路中に、或いは配合燃料のための流路中に、燃料品質監視センサを設置することができる。ガスクロマトグラフは、測定されたガス流についてＬＨＶ及びＭＷＩを決定するためにシステム内で重み付き計算を行うことができるように、個別のガス成分（例えば、メタン、エタン、ブタン、プロパン、水素）の相対濃度を提供する。
【００３０】
センサが一次燃料流及び二次ガス流について設けられて、これらの２つの流れについて個別に測定値を与え、それらの測定値は配合された流れ３５５についてＭＷＩを計算するために使用することができる。この代わりに、配合燃料についてＭＷＩ３６５を決定するために、センサ３６０により配合燃料を直接に測定して監視することができる。
【００３１】
構成部品は１つのコンパクトなスキッドの中に完全に密封することができ、或いは典型的な発電所内の利用可能なスペースに応じて個別の部品として設置することができる。典型的には発電所の構成に応じて、燃料ヒータ、フィルタ、ガス圧縮機などのような他の必要なハードウエアを二次ガス供給路のために付け加えることができる。
【００３２】
既存の燃焼タービン制御装置のソフトウエアは、二次ガスの注入を可能にし且つ配合燃料での動作を可能にするように修正することができる。タービン・オペレータが所望の燃料混合要求信号を送ることができるようにするために、オペレータ・インターフェース・モジュールを制御ソフトウエアに付加することができる。この代わりに、自動的な二次ガス混合要求信号をガスタービン制御装置に送ることができるように、オペレータ・インターフェースを発電所制御装置と統合することができる。
【００３３】
ガスタービン用の複数の燃焼器２５５内の性能を検知するために燃焼ダイナミクス監視用計測装置３７５が設けられる。燃焼ダイナミクス監視用計測装置は燃焼ノイズ入力を制御装置３８０に供給し、この燃焼ノイズ入力は、所与の配合燃料混合物について低ＮＯｘ型燃焼システムにおける許容可能なダイナミクス・レベルを評価するために使用される。配合燃料による動作が許容できないレベルの燃焼ダイナミクスを生成する場合、制御装置は燃料配合、或いは一次ガス燃料及び／又は二次ガスのための温度を修正することができる。
【００３４】
燃料混合要求信号は、ＭＷＩが燃焼燃料ノズルの規定された限界内に留まるように二次ガス燃料供給装置が所定の増加速度で所望の量の二次燃料を注入することを可能にする。
【００３５】
オペレータ通知アラームがまた、燃焼ガスタービンに導入されている二次燃料の量を制御室オペレータに警告する。制御装置ソフトウエアは、配合燃料が許容範囲から外れた場合にガスタービンを１００％一次ガス燃料に戻って運転するように開始する。
【００３６】
制御システム３８０はまた、排出物についての影響を最小にすることができるように燃料配合及び温度を調節するために排出物監視システム３７０と統合することができる。
【００３７】
図４は、一次ガス燃料に二次ガスを配合する方法を例示する流れ図である。最初の段階４１０では、一次ガス燃料に配合すべき二次ガスについて配合百分率を指定する。段階４２０で、システム制御装置によって、ガスタービンの動作状態に必要とされる燃料温度と合致した配合燃料を供給するために指定した温度の指定したパーセントの二次ガスを供給するように二次ガス供給システムに命令する。指定された通りの二次ガスの追加を、段階４３０で所望の配合まで増大させることができる。段階４４０で、計器及び燃料品質センサにより燃料配合物を監視する。燃料品質センサは、クロマトグラフ、又は燃料配合物の分子組成を決定する他の計器であってよい。段階４４５で、配合燃料のＭＷＩを測定されたパラメータから計算することができる。段階４５０で、配合燃料のＭＷＩを、その燃料についてシステム制御装置によって供給された所望のＭＷＩと比較することができる。配合燃料のＭＷＩがその燃料についての所望のＭＷＩに対して所定の許容範囲内にない場合、段階４５５で、二次ガス温度を調節することができ且つ二次ガス流量を低減することができる。配合燃料のＭＷＩが所定の許容範囲内にある場合、段階４４０で、配合燃料の監視を継続する。
【００３８】
更に、段階４６０で、一次ガス燃料及び二次ガスの配合物により動作させている間、排出物制御センサによりガスタービン排出物を監視する。段階４６５で、排出物を指定された排出物限界と比較する。排出物が限界内である場合、段階４６０で排出物の監視を継続する。段階４６５で排出物が限界内に入っていない場合、段階４５５で制御装置により一次ガス燃料及び二次ガスの温度と一次ガス燃料の流量及び二次ガスの流量とを調節して、排出物を段階４６５における限界内に回復させることができる。
【００３９】
更に段階４７０で、燃焼音響センサにより燃焼器内の音響ノイズ・レベルを監視して、分析のために制御装置に供給することができる。段階４７５で、制御装置により燃焼プロセスを分析し、段階４８０で燃焼プロセスが配合燃料で安全に動作するかどうか判定する。燃焼プロセスが許容可能な限界内に無い場合、段階４５５で一次ガス燃料及び二次ガスについて温度及び流量を調節して、満足な燃焼ダイナミクスを回復させることができる。燃焼動作が満足なものである場合、 段階４７０で燃焼監視を継続する。
【００４０】
不満足なＭＷＩ、燃焼ダイナミクス又は排出物に対する上記の応答のいずれにおいても、その応答は１００％一次ガス燃料での動作に逆戻りすることを含むことができる。
【００４１】
配合燃料システム及び方法は、発電所の顧客が運転コストを下げることを可能にし、また開放電力網システムに対する売電の日々の入札により良い競争を可能にする。更に、配合燃料システム及び方法は環境的に信頼性がある。配合燃料システムは既存のガスタービン・システムに応用することができ、或いは新しい提案に適用することができる。
【００４２】
本発明の一実施形態では、水素ガスを二次ガス燃料として天然ガス燃料に配合することができる。このような混合において、天然ガス燃料と二次水素ガスとの望ましい配合物は、ほぼ５％の水素の好ましい混合を含むことができる。別の実施形態は、二次ガス燃料としての約１０％の水素ガスと一次ガス燃料としての天然ガスとの組合せを含むことができる。
【００４３】
更に、配合システムのハードウエア及び制御方法は、様々なガスタービン・フレームの大きさに合うように拡縮することができる。
【００４４】
以上、様々な実施形態を説明したが、本明細書から、要素の様々な組合せ、変形又は改良を為すことができ、またそれらが本発明の範囲内にあることが理解されよう。
【符号の説明】
【００４５】
１０５  ＋５％ウォッベ境界線
１１０  −５％ウォッベ境界線
１２０  ブタン・ガス配合物
１３０  プロパン・ガス配合物
１４０  水素ガス燃料配合物
２００  ＤＬＮガスタービン排出物及び燃料制御システム
２０６  外部空気
２１０  入口案内静翼
２２０  駆動シャフト
２４０  燃料
２４６  リンク
２５０  圧縮空気
２５６  高温ガス
２６１  排出ガス
２８５  燃焼音響モニタ
２８６  制御信号
２９６  表示及び制御信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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