(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半閉鎖動力サイクルシステム（１２）を制御するように構成されたコントローラ（５６）を含む、システム（１０）であって、
前記コントローラ（５６）が、１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）中の酸素濃度を示す第１の信号、前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）によって出力される動力を示す第２の信号、タービン（１６）を通る第２のガス流（２６、３０）の温度を示す第３の信号、及び前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）内の質量流量バランスを示す第４の信号とを含む第１のグループから少なくとも３つの信号を受け取るように構成され、前記コントローラ（５６）が、前記少なくとも３つの信号に基づいて、前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）、燃焼器（１４）内への燃料流、前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の一部分、及び供給圧縮機（２２）を通る空気流（２５）を含む第２のグループから少なくとも３つのパラメータを調整するように構成されている、システム（１０）。
【請求項２】
半閉鎖動力サイクルシステム（１２）を制御するように構成されたコントローラ（５６）を含む、システム（１０）であって、
前記コントローラ（５６）が、１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）中の酸素濃度を示す第１の信号、前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）によって出力される動力を示す第２の信号、タービン（１６）を通る第２のガス流（２６、３０）の温度を示す第３の信号、及び前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）内の質量流量バランスを示す第４の信号の少なくとも１つを受け取るように構成され、前記コントローラ（５６）が、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号の少なくとも１つに基づいて、前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）、燃焼器（１４）内への燃料流、前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の一部分、及び供給圧縮機（２２）を通る空気流（２５）の少なくとも１つを調整するように構成され、
前記コントローラ（５６）が、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号を受け取り、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号に基づいて、前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）、前記燃焼器（１４）内への前記燃料流、前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の前記一部分、及び前記供給圧縮機（２２）を通る前記空気流（２５）を調整するように構成されている、システム（１０）。
【請求項３】
前記コントローラ（５６）が、第３の信号に基づいて前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）を調整し、第２の信号に基づいて前記燃焼器（１４）内への前記燃料流を調整し、第４の信号に基づいて前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の前記一部分を調整し、第１の信号に基づいて前記供給圧縮機（２２）を通る前記空気流（２５）を調整するように構成されている、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記コントローラ（５６）が、第３の信号に基づいて前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）を調整し、第１の信号に基づいて前記燃焼器（１４）内への前記燃料流を調整し、第２の信号に基づいて前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の前記一部分を調整し、第４の信号に基づいて前記供給圧縮機（２２）を通る前記空気流（２５）を調整するように構成されている、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項５】
半閉鎖動力サイクルシステム（１２）を制御するように構成されたコントローラ（５６）を含む、システム（１０）であって、
前記コントローラ（５６）が、１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）中の酸素濃度を示す第１の信号、前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）によって出力される動力を示す第２の信号、タービン（１６）を通る第２のガス流（２６、３０）の温度を示す第３の信号、及び前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）内の質量流量バランスを示す第４の信号の少なくとも１つを受け取るように構成され、前記コントローラ（５６）が、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号の少なくとも１つに基づいて、前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）、燃焼器（１４）内への燃料流、前記１次圧縮機（２０）から抽出される第１のガス流（３３、３４）の一部分、及び供給圧縮機（２２）を通る空気流（２５）の少なくとも１つを調整するように構成され、
前記半閉鎖動力サイクルシステム（１２）内の前記質量流量バランスを示す第４の信号が、前記１次圧縮機（２０）の吐出圧力を示す信号を含む、システム（１０）。
【請求項６】
前記コントローラ（５６）が、第１の信号を受け取り、第１の信号に基づいて前記供給圧縮機（２２）を通る前記空気流（２５）を調整するように構成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記コントローラ（５６）が、前記１次圧縮機（２０）の入口案内翼（６４）の位置を調整することにより、前記１次圧縮機（２０）を通る第１のガス流（３３、３４）を調整するように構成されている、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記コントローラ（５６）が、前記供給圧縮機（２２）の入口案内翼（６２）の位置を調整することにより、前記供給圧縮機（２２）を通る前記空気流（２５）を調整するように構成されている、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム（１０）。
【請求項９】
燃料空気混合物を燃焼するように構成された燃焼器（１４）と、
前記燃焼器（１４）に流体連通し、前記燃焼器（１４）に前記空気流（２５）を供給するように構成された供給圧縮機（２２）と、
前記燃焼器（１４）に流体連通し、前記燃焼器（１４）からの第２のガス流（２６、３０）を受け取るように構成されたタービン（１６）と、
前記タービン（１６）に流体連通し、第１のガス流（３３、３４）を圧縮するように構成された１次圧縮機（２０）と
を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
第２のガス流（２６、３０）から熱を抽出し、第１のガス流（３３、３４）を前記１次圧縮機（２０）に供給するように構成された排熱回収ボイラ（３２）を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の主題は、半閉鎖動力サイクルシステム（semi-closed power cycle system）を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの発電システムは、燃料と圧縮空気との混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成するように構成されたガスタービンエンジンを含む。燃焼ガスは、タービンを通って流れ、発電機など負荷のための動力を生成する。幾つかのガスタービンエンジンは、希薄燃料混合比で運転するように構成された燃焼器を含む。従って、燃焼器に供給される圧縮空気の量は、燃料の完全燃焼に必要な量よりも多い。その結果、燃焼器からの排気ガスは、かなりの量の酸素を含む。
【０００３】
幾つかの発電システムからの排気ガスは、石油などの鉱物の２次回収に使用することができる。そのようなシステムでは、圧縮排気ガスは、地中の鉱床内に導かれ、油圧を増加させ、及び／又は地層を破断させ、それにより、石油回収を促進する。それに加えて、排気ガスが地層中に残るので、発電システムにより発生する二酸化炭素の少なくとも一部分が、地中に捕捉される。不都合なことに、排気ガス中の酸素は、石油の質を低下させ、及び／又はその他に、石油の質に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、ガスタービンエンジンからの排気ガスの酸素濃度を大幅に低減するのが望ましい場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７７８４２８８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、半閉鎖動力サイクルシステムを制御するように構成されたコントローラを含む。コントローラは、１次圧縮機を通る第１のガス流中の酸素濃度を示す第１の信号、半閉鎖動力サイクルシステムによって出力される動力を示す第２の信号、タービンを通る第２のガス流の温度を示す第３の信号、及び半閉鎖動力サイクルシステム内の質量流量バランスを示す第４の信号の少なくとも１つを受け取るように構成される。コントローラは、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号の少なくとも１つに基づいて、１次圧縮機を通る第１のガス流、燃焼器内への燃料流、１次圧縮機から抽出される第１のガス流の一部分、及び供給圧縮機を通る空気流の少なくとも１つを調整するように、さらに構成される。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、燃料空気混合物を燃焼するように構成された燃焼器と、燃焼器に流体連通し、燃焼器に空気流を供給するように構成された供給圧縮機とを含む。システムは、燃焼器に流体連通し、燃焼器からの第１のガス流を受け取るように構成されたタービンをさらに含む。システムは、タービンに流体連通し、タービンからの第２のガス流を受け取り、第２のガス流を圧縮し、タービンに第３のガス流を供給するように構成された１次圧縮機をさらに含む。第３のガス流の一部分が、１次圧縮機から抽出される。さらに、システムは、第３のガス流中の酸素濃度を示す第１の信号を受け取り、第１の信号に基づいて燃焼器への空気流を調整するように構成されたコントローラを含む。
【０００８】
第３の実施形態では、半閉鎖動力サイクルシステムを制御する方法は、１次圧縮機を通る第１のガス流中の酸素濃度を示す第１の信号、半閉鎖動力サイクルシステムによって出力される動力を示す第２の信号、タービンを通る第２のガス流の温度を示す第３の信号、及び半閉鎖動力サイクルシステム内の質量流量バランスを示す第４の信号の少なくとも１つを受け取ることを含む。本方法は、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号の少なくとも１つに基づいて、１次圧縮機を通る第１のガス流、燃焼器内への燃料流、１次圧縮機から抽出される第１のガス流の一部分、及び供給圧縮機を通る空気流の少なくとも１つを調整することをさらに含む。
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半閉鎖動力サイクルシステムの一実施形態を含む、例示的なコンバインドサイクル発電システムの概略図である。
【図２】半閉鎖動力サイクルシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３】半閉鎖動力サイクルシステムを制御する方法の一実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１３】
幾つかのガスタービンエンジンは、排気ガス中の酸素濃度を大幅に低減するのに、半閉鎖動力サイクルに基づいて運転するように構成される。そのようなガスタービンエンジンは、半閉鎖動力サイクルシステムとして説明することができる。幾つかの半閉鎖動力サイクルシステムは、燃焼器に空気流を供給するように構成された供給圧縮機と、燃焼器からのガス流を受け取るように構成されたタービンと、タービンから出力されるガス流を受け取り、ガスを圧縮し、圧縮されたガス流をタービン内に再び供給するように構成された１次圧縮機とを含む。１次圧縮機により供給される再循環ガスは、燃焼器から吐出するガス温度を大幅に低減し、それにより、ほぼ理論的な燃料空気混合比で燃焼器を運転できるようにする。その結果、１次圧縮機から抽出される排気ガスの酸素含有量は、希薄燃料混合比で燃焼器を運転する幾つかのガスタービンエンジンに比べて大幅に低減される。その結果、半閉鎖動力サイクルシステムは、２次回収、及び／又は炭素捕捉運転に十分適している排気ガスを効率的に供給することができる。
【００１４】
本開示の実施形態は、半閉鎖動力サイクルシステム内の様々な流体流量を制御することにより、半閉鎖動力サイクルシステムの効率的な運転を可能にすることができる。例えば、幾つかの半閉鎖動力サイクルシステムは、１次圧縮機からのガス流中の酸素濃度を示す第１の信号を受け取り、第１の信号に基づいて燃焼器への空気流を調整するように構成されたコントローラを含む。別の実施形態では、コントローラは、タービンによって出力される動力を示す第２の信号、タービンを通るガス流の温度を示す第３の信号、及びシステム内の質量流量バランスを示す第４の信号を受け取るように構成される。コントローラは、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号に基づいて、燃焼器への空気流を調整し、１次圧縮機内へのガス流を調整し、燃焼器内への燃料流を調整し、１次圧縮機から抽出されるガス流の一部分を調整するように、さらに構成される。例えば、コントローラは、第３の信号に基づいて１次圧縮機内へのガス流を調整し、第２の信号に基づいて燃焼器内への燃料流を調整し、第４の信号に基づいて１次圧縮機から抽出されるガス流の一部分を調整し、第１の信号に基づいて燃焼器への空気流を調整するように構成することができる。或いは、コントローラは、第３の信号に基づいて１次圧縮機内へのガス流を調整し、第１の信号に基づいて燃焼器内への燃料流を調整し、第２の信号に基づいて１次圧縮機から抽出されるガス流の一部分を調整し、第４の信号に基づいて燃焼器への空気流を調整するように構成することができる。その結果、コントローラは、半閉鎖動力サイクルシステムの効率的な運転を可能にすることができる。
【００１５】
図１は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の実施形態を含む、例示的なコンバインドサイクル発電システム１０の概略図である。半閉鎖動力サイクルシステム１２の実施形態の背景を示すために、以下にコンバインドサイクル発電システム１０を説明する。以下に説明する半閉鎖動力サイクルシステム１２は、例えば、他の発電システム、タービンシステム、又は化学プラント内で負荷を駆動するのに利用することができる。本実施形態では、半閉鎖動力サイクルシステム１２は、燃焼器１４、タービン１６、駆動軸１８、１次圧縮機２０、及び供給圧縮機２２を含む。燃焼器１４は、圧力下で燃料ノズルから噴射することができる、天然ガスなどの燃料２４を受け取る。この燃料は、圧縮空気２５と混合され、燃焼器１４内で燃焼され、それにより、高温圧縮ガス２６を生成する。燃焼器１４は、ガス２６をタービン１６の入口の方に導く。燃焼器１４からのガス２６が、タービン１６を通過するとき、タービン１６内のブレードが、駆動されて回転し、それにより、半閉鎖動力サイクルシステム１２の軸に沿った駆動軸１８を回転させる。例示するように、駆動軸１８は、１次圧縮機２０及び供給圧縮機２２を含む、半閉鎖動力サイクルシステム１２の様々な要素に接続される。
【００１６】
駆動軸１８は、ブレードを含む供給圧縮機２２のロータにタービン１６を接続する。従って、タービン１６内のタービンブレードの回転により、タービン１６を供給圧縮機２２に接続する駆動軸１８が、供給圧縮機２２内のブレードを回転させる。供給圧縮機２２内のブレードの回転により、圧縮機２２が、例えば、空気入口を介して受け取った空気２７を圧縮する。次いで、圧縮空気２５は、燃焼器１４に供給され、燃料２４と混合されて、燃焼を可能にする。駆動軸１８は、負荷２８にも接続され、負荷２８は、発電プラント内で電力を生成する、発電機などの安定負荷とすることができる。実際に、負荷２８は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の回転出力によって動力を供給される、いずれかの適当なデバイスとすることができる。
【００１７】
タービン１６からのガス３０は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）３２に導かれる。ＨＲＳＧ３２は、ＨＲＳＧ３２を通して、水などの２次流体をガス流３０と交差する方向に（例えば、ほぼ垂直に）輸送するように構成された、複数の導管を含む熱交換器である。ガス３０が導管を流れるとき、熱がガスから水に伝達され、それにより、熱を生成する。それに加えて、ガスの温度は大幅に低減する。冷却されたガス３３は、ＨＲＳＧ３２を通過した後、１次圧縮機２０の入口の方に導かれ、ガス３３が、半閉鎖動力サイクルシステム１２を通して再循環することができるようにする。
【００１８】
例示するように、駆動軸１８は、ブレードを含む１次圧縮機２０のロータにタービン１６を接続する。従って、タービン１６内のタービンブレードの回転により、タービン１６を１次圧縮機２０に接続する駆動軸１８が、１次圧縮機２０内のブレードを回転させる。１次圧縮機２０内のブレードの回転により、圧縮機２０が、冷却ガス３３を圧縮する。次いで、圧縮されたガス３４は、タービン１６に供給され、燃焼器１４からのガス２６の温度を低減する。例えば、燃焼器１４は、理論燃料空気混合比で動作するように構成することができる。幾つかの実施形態では、化学量論的反応によるガス２６の温度は、タービン１６の所望の運転温度よりも高くなる可能性がある。その結果、燃焼器１４からのガス２６を再循環ガス３４と混合することにより、タービン１６に所望の温度のガス流を供給することができる。それに加えて、ガス２６が、化学量論的燃焼反応（例えば、燃料と空気との完全な燃焼）の生成物であるので、ガス２６の酸素含有量は、希薄燃焼反応によるガスよりも大幅に低くなる。例えば、希薄燃焼反応は、約１０％、１２％、１４％、１６％、１８％、２０％以上よりも高い酸素濃度を有するガスを供給することができる。それとは対照的に、化学量論的燃焼反応によるガス２６の酸素濃度は、約５％、４％、３％、２％、１％以下よりも低くすることができる。
【００１９】
本実施形態では、１次圧縮機２０から吐出するガス３４の一部分は、２次回収、及び／又は炭素捕捉運転内で使用するために抽出される。以下に詳細に説明するように、具体的には、抽出されたガスの一部分は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを維持するように調整され、負荷２８に対する回転出力を変化させ、及び／又は半閉鎖動力サイクルシステム１２の他の運転パラメータに影響を及ぼすことができる。抽出される排気ガス３５の酸素含有量が低いため、排気ガス３５は、鉱物（例えば石油）の質を大幅に低下させることなく、及び／又はその他に、鉱物の質に悪影響を及ぼすことなく、鉱床内に噴射することができる。その結果、半閉鎖動力サイクルシステム１２からの排気ガス３５は、２次回収、及び／又は炭素捕捉運転に十分適している可能性がある。
【００２０】
上述したように、タービン１６からのガス３０は、ＨＲＳＧ３２内に供給され、冷却ガス３３は、１次圧縮機２０に戻される。ガス３０がＨＲＳＧ３２内で冷却されるとき、ガス３０内の水蒸気は、凝縮して水３７になる。水３７は、ＨＲＳＧ３２から抽出され、それにより、ガス３３の含水量を低減することができる。その結果、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス３５は、ガスタービンエンジンから直接排出される排気ガスよりも大幅に低い水分濃度を有する。
【００２１】
例示した実施形態では、ＨＲＳＧ３２を通して高温ガス流３０により発生する高圧蒸気３６は、蒸気タービン３８の方に導かれる。高圧蒸気３６が蒸気タービン３８を通過するとき、タービン３８内のブレードが駆動されて回転し、それにより、第２の負荷４０を駆動する。本実施形態は、２つの負荷２８及び４０を含むが、半閉鎖動力サイクルシステム１２及び蒸気タービン３８は、別の実施形態では同じ負荷に結合することができることを理解されたい。蒸気が蒸気タービン３８を通過するとき、圧力は、低減し、タービン３８から低圧蒸気４２を排出するようにする。例示するように、低圧蒸気４２は、蒸気を凝縮する復水器４４に流れ込む。復水器４４は、水などの２次流体を蒸気流と交差する方向に（例えば、ほぼ垂直に）輸送するように構成された、複数の導管を含む熱交換器である。蒸気が導管を流れるとき、蒸気からの熱が、水４６に伝達され、それにより、蒸気を凝縮して水４８になる。水４８は、再びＨＲＳＧ３２へ流れ、ガス３０によって加熱されて、より高圧の蒸気３６が発生する。冷却水４６は、復水器４４内で加熱され、熱水５０として出る。熱水５０は、冷却塔５２の方に導かれ、冷却塔５２は、熱水５０を冷却して復水器４４用の冷却水４６を生成する。本実施形態では、高圧蒸気３６が蒸気タービン３８の方に導かれるが、別の実施形態では、低圧蒸気４２を復水器４４に戻す前に、工業プロセス（例えばガス化）用に高圧蒸気３６を利用することができることを理解されたい。
【００２２】
例示した実施形態では、発電システム１０は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の運転を調整するように構成された制御システム５４を含む。例示するように、制御システム５４は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の様々な運転パラメータを示す信号を受け取り、半閉鎖動力サイクルシステム１２を通る流体流を制御して効率的な運転を可能にするように構成されたコントローラ５６を含む。幾つかの実施形態では、コントローラ５６は、１次圧縮機２０からのガス流３４中の酸素濃度を示す信号、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力を示す信号、タービン１６からのガス流３０の温度を示す信号、及び半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを示す信号の少なくとも１つを受け取るように構成される。例示した実施形態では、制御システム５４は、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス３５と流体連通するセンサ５８を含む。センサ５８は、コントローラ５６と通信可能に結合し、抽出排気ガス３５の酸素濃度、及び／又は圧力を測定するように構成される。上述したように、２次回収、及び／又は炭素捕捉運転を可能にするのに、排気ガス３５中の酸素含有量を大幅に低減するのが望ましい場合がある。その結果、コントローラ５６は、排気ガス３５中の酸素濃度を示すセンサ５８からの信号を受け取り、半閉鎖動力サイクルシステム１２の運転を調整して排気ガス３５中の酸素含有量を低く維持するように構成することができる。
【００２３】
それに加えて、センサ５８は、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス３５の圧力を測定するように構成することができる。測定圧力は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを判定するのに利用することができる。理解されるように、質量流量バランスを維持することにより、半閉鎖動力サイクルシステム１２の効率的な運転が可能になる。半閉鎖動力サイクルシステム１２が質量バランスするとき、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス３５の質量流量は、供給圧縮機２２からの圧縮空気２５の質量流量と燃焼器１４への燃料２４の質量流量との和から、ＨＲＳＧ３２より抽出される水３７の質量流量を減じたものに等しい。排気ガス３５の質量流量が所望のものよりも低いとき、圧力を１次圧縮機２０内で生成し、それにより、半閉鎖動力サイクルシステム１２の効率が低下する。その結果、圧縮機２０から吐出する排気ガス３５中の圧力を測定することにより、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２が適切に質量流量バランスしているか否かを判定することができる。
【００２４】
コントローラ５６は、負荷２８とも通信可能に結合し、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力を測定するように構成される。例えば、負荷２８が発電機であるとき、コントローラ５６は、発電機の電力出力を示す信号を受け取ることができる。その結果、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２を制御し、所望の動力出力を生成するように構成することができる。それに加えて、制御システム５４は、タービン１６を通ったガスの温度を測定するように構成された温度センサ６０を含む。例示した実施形態では、温度センサ６０は、タービン１６の出口でガス３０と流体連通する。しかし、温度センサ６０は、タービン１６の入口、及び／又はタービン１６の中間段においてガス温度を測定するように構成することができることを理解されたい。本実施形態では、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２を制御して所望のガス温度をもたらすように構成される。例えば、コントローラ５６は、ガス温度がタービン１６の最大運転温度を確実に超えないようにするように構成することができる。
【００２５】
本実施形態では、コントローラ５６は、１次圧縮機２０からのガス流３４中の酸素濃度を示す信号、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力を示す信号、タービン１６からのガス流３０の温度を示す信号、及び半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを示す信号の少なくとも１つに基づいて、１次圧縮機２０を通るガス流、燃焼器１４内への燃料流２４、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス流３５の一部分、及び供給圧縮機２２を通る空気流の少なくとも１つを調整するように構成される。例えば、例示した実施形態では、コントローラ５６は、供給圧縮機２２内への空気流２７を調整するように構成された入口案内翼６２と通信可能に結合される。理解されるように、供給圧縮機２２内への空気流２７の調整により、燃焼器１４内への圧縮空気流２５が変化する。幾つかの実施形態では、コントローラ５６は、抽出排気ガス３５中の測定酸素濃度に基づいて、案内翼６２の位置を調整するように構成することができる。例えば、酸素濃度が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、入口案内翼６２を部分的に閉鎖して、供給圧縮機２２を通る空気流を制限することができる。或いは、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスに基づいて、案内翼６２の位置を調整するように構成することができる。例えば、抽出排気ガス３５の圧力が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、入口案内翼６２を部分的に閉鎖して供給圧縮機２２を通る空気流を制限し、それにより、半閉鎖動力サイクルシステム１２内への空気の質量流量を低減することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、抽出排気ガス３５中の酸素濃度は、燃焼器１４内の燃料空気混合比に基づいて計算される。そのような実施形態では、コントローラ５６は、燃料空気混合比に基づいて、案内翼６２の位置を調整するように構成することができる。上述したように、排気ガスの酸素含有量を大幅に低減するのに、理論燃料空気混合比で燃焼器１４を運転するのが望ましい場合がある。その結果、供給圧縮機２２からの圧縮空気２５の量が、燃料２４の完全燃焼に必要な量よりも多いとき、コントローラ５６は、案内翼６２を調整して供給圧縮機２２を通る流量を制限することができる。逆に、供給圧縮機２２からの圧縮空気２５の量が、燃料２４の完全燃焼に必要な量よりも少ないとき、コントローラ５６は、案内翼６２を調整して供給圧縮機２２を通る流量を増加させることができる。
【００２７】
コントローラ５６は、１次圧縮機２０を通るガス流を調整するのに１次圧縮機２０の入口案内翼６４とも通信可能に結合される。理解されるように、１次圧縮機２０内へのガス流３３を調整することにより、タービン１６への圧縮ガス３４の流量が変化する。幾つかの実施形態では、コントローラ５６は、タービン１６を通るガスの測定温度に基づいて、案内翼６４の位置を調整するように構成することができる。例えば、ガス温度が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、入口案内翼６４を開放して１次圧縮機２０を通るガス流を増加させ、それにより、タービン１６内へのガス流の温度を低下させることができる。
【００２８】
それに加えて、コントローラ５６は、燃焼器１４内への燃料流２４を調整するように構成されたバルブ６６と通信可能に結合される。幾つかの実施形態では、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の動力出力に基づいて、バルブ６６を通る流量を調整するように構成される。例えば、動力出力が所望のものよりも低いとき、コントローラ５６は、バルブ６６を開放し、それにより、燃焼器１４への燃料流を増加させ、動力出力を増加させることができる。或いは、コントローラ５６は、抽出排気ガス３５中の測定酸素濃度に基づいて、バルブ６６を通る流量を調整するように構成することができる。例えば、酸素濃度が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、燃焼器１４への燃料流を増加させ、それにより、燃料空気混合比を理論比に移行させることができる。
【００２９】
さらに、コントローラ５６は、１次圧縮機２０から抽出される排気ガス３５の一部分を調整するように構成されたバルブ６８と通信可能に結合される。幾つかの実施形態では、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスに基づいて、バルブ６８を通る流量を調整するように構成される。例えば、抽出排気ガス３５の圧力が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、バルブ６８を開放し、１次圧縮機２０から、より多い量の排気ガス３５を抽出することができる。その結果、１次圧縮機２０の吐出圧力は、低減され、それにより、１次圧縮機２０内の所望の運転圧力を維持する。或いは、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力に基づいて、バルブ６８を通る流量を調整するように構成することができる。例えば、動力出力が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、バルブ６８を開放し、それにより、タービン１６を通る流量を低減することができる。タービン１６と負荷２８との間の接続のために、タービン１６を通る流量を低減することにより、負荷２８への動力は減少する。
【００３０】
図２は、半閉鎖動力サイクルシステム１２の別の実施形態の概略図である。例示した実施形態では、半閉鎖動力サイクルシステム１２は、軸７２を介して供給圧縮機２２を駆動するように構成されたモータ７０を含む。従って、図１を参照して上述した半閉鎖動力サイクルシステム１２の供給圧縮機２２などの供給圧縮機２２は、タービン１６に直接結合しない。モータ７０は、供給圧縮機２２を駆動することができる、いずれかの適当なデバイスとすることができる。例えば、モータ７０は、幾つかのモータ構成の中で特に、内燃エンジン、電気モータ、蒸気タービン、又はガスタービンとすることができる。本実施形態では、コントローラ５６は、モータ７０と通信可能に結合し、モータ７０の動力出力を調整することにより、供給圧縮機２２を通る空気流を変化させるように構成される。例えば、コントローラ５６は、抽出排気ガス３５中の測定酸素濃度に基づいて、モータ７０の動力出力を調整するように構成することができる。例えば、酸素濃度が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、供給圧縮機２２への動力を減少させ、燃焼器１４への空気流を低減することができる。或いは、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスに基づいて、モータ７０の動力出力を調整するように構成することができる。例えば、抽出排気ガス３５の圧力が所望のものよりも高いとき、コントローラ５６は、供給圧縮機２２への動力を減少させ、燃焼器１４への空気流を低減することができる。別の実施形態では、コントローラ５６は、燃焼器１４内の燃料空気混合比に基づいて、モータ７０の動力出力を調整するように構成することができる。例えば、供給圧縮機２２からの圧縮空気２５の量が、燃料２４の完全燃焼に必要な量よりも多いとき、コントローラ５６は、供給圧縮機２２への動力を減少させ、燃焼器１４への空気流を低減する。
【００３１】
コントローラ５６は、例示した実施形態では、供給圧縮機２２への動力出力を変化させることにより、燃焼器１４への空気流を調整するように構成されるが、別の実施形態では、空気流を調整するように構成された追加的な機構を含むことができることを理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、モータ７０は、一定速度で供給圧縮機２２を駆動するように構成することができる。そのような実施形態では、供給圧縮機２２は、供給圧縮機２２を通る空気流を調整する、図１を参照して上述した入口案内翼などの入口案内翼を含むことができる。別の実施形態では、モータ７０の動力出力が調整可能であり、供給圧縮機２２は、入口案内翼を含むことができる。そのような実施形態では、コントローラ５６は、モータ７０の動力出力及び入口案内翼の位置を調整することにより、燃焼器１４への空気流を調整するように構成することができる。
【００３２】
図３は、半閉鎖動力サイクルシステム１２を制御する方法７４の一実施形態のフローチャートである。第１に、ブロック７６によって表すように、半閉鎖動力サイクルシステム１２の運転パラメータを示す少なくとも１つの信号を受け取る。例示するように、信号は、ブロック７８によって表した、１次圧縮機２０からのガス流３４中の酸素濃度を示す第１の信号、ブロック８０によって表した、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力を示す第２の信号、ブロック８２によって表した、タービン１６からのガス流３０の温度を示す第３の信号、及びブロック８４によって表した、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを示す第４の信号を含むことができる。例えば、コントローラ５６は、１次圧縮機２０からのガス流３４中の酸素濃度を示す信号、及びセンサ５８を介する半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスを示す信号を受け取ることができる。それに加えて、コントローラ５６は、負荷２８からの半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力を示す信号、及び温度センサ６０からのガス流３０の温度を示す信号を受け取ることができる。
【００３３】
次に、ブロック８６によって表すように、半閉鎖動力サイクルシステム１２の少なくとも１つの運転パラメータは、信号の少なくとも１つに基づいて調整される。例示するように、運転パラメータは、ブロック８８によって表した、１次圧縮機２０を通るガス流、ブロック９０によって表した、燃焼器１４内への燃料流、ブロック９２によって表した、１次圧縮機２０から抽出されるガス流の一部分、及び／又はブロック９４によって表した、供給圧縮機２２を通る空気流を含む。例えば、コントローラ５６は、抽出排気ガス３５中の測定酸素濃度に基づいて、供給圧縮機２２の案内翼６２の位置を調整するように構成することができる。それに加えて、コントローラ５６は、タービン１６を通るガスの測定温度に基づいて、１次圧縮機２０の案内翼６４の位置を調整するように構成することができる。さらに、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２によって出力される動力に基づいて、燃料バルブ６６を通る流量を調整するように構成することができる。コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２内の質量流量バランスに基づいて、排気バルブ６８を通る流量を調整するように構成することもできる。このように、コントローラ５６は、半閉鎖動力サイクルシステム１２を効率的に運転することができるが、希薄燃料混合比で運転するように構成されたガスタービンエンジンよりも大幅に低い酸素含有量を有する排気ガス流３５をもたらす。その結果、半閉鎖動力サイクルシステム１２により発生する排気ガス３５は、２次回収、及び／又は炭素捕捉運転に十分適している可能性がある。
【００３４】
開示した実施形態の技術的効果は、半閉鎖動力サイクルシステム内の様々な流体流を制御することにより、半閉鎖動力サイクルシステムを効率的に運転する能力を含むことである。例えば、幾つかの半閉鎖動力サイクルシステムは、１次圧縮機からのガス流中の酸素濃度を示す第１の信号を受け取り、第１の信号に基づいて燃焼器への空気流を調整するように構成されたコントローラを含む。別の実施形態では、コントローラは、タービンによって出力される動力を示す第２の信号、タービンを通ったガス流の温度を示す第３の信号、及びシステム内の質量流量バランスを示す第４の信号を受け取るように構成される。コントローラは、第１の信号、第２の信号、第３の信号、及び第４の信号に基づいて、燃焼器への空気流を調整し、１次圧縮機内へのガス流を調整し、燃焼器内への燃料流を調整し、１次圧縮機から抽出されるガス流の一部分を調整するように、さらに構成される。
【００３５】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３６】
１０  発電システム
１２  半閉鎖動力サイクルシステム
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  軸
２０  圧縮機
２２  供給圧縮機
２４  燃料
２５  圧縮空気
２６  高温圧縮ガス
２７  空気
２８  負荷
３０  ガス
３２  排熱回収ボイラ
３３  冷却されたガス
３４  圧縮ガス
３５  排気ガス
３６  高圧蒸気
３７  水
３８  蒸気タービン
４０  負荷
４２  低圧蒸気
４４  復水器
４６  冷却水
４８  水
５０  熱水
５２  冷却塔
５４  制御システム
５６  コントローラ
５８  センサ
６０  温度センサ
６２  入口案内翼
６４  入口案内翼
６６  バルブ
６８  バルブ
７０  モータ
７２  軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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