(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料改質したガスタービン燃焼システムを提供する。【解決手段】圧縮機１２、燃焼器１４及びタービン１６を含むガスタービン・エンジン・システム１０において、前記燃焼器に燃料流から燃料を供給するように構成された１つ以上の燃料回路を有する燃料システムと、前記１つ以上の燃料回路と流体連通した無触媒燃料改質装置であって、酸化剤流からの酸化剤と前記１つ以上の燃料回路中の燃料の一部分とを所定の比率で受け取って、該燃料部分を改質してリフォーメートを生成するように構成された無触媒燃料改質装置３２と、前記無触媒燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を調整して、前記燃焼器に入る燃料の修正ウォッベ指数を制御するように構成された制御システム１８とが設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１２）、燃焼器（１４）及びタービン（１６）を含むガスタービン・エンジン・システム（１０）において、
前記燃焼器に燃料流から燃料を供給するように構成された１つ以上の燃料回路（１０２）を有する燃料システム（２０）と、
前記１つ以上の燃料回路と流体連通した無触媒燃料改質装置（３２、１００）であって、酸化剤流からの酸化剤と前記１つ以上の燃料回路中の燃料の一部分とを所定の比率で受け取って、該燃料部分を改質してリフォーメートを生成するように構成された無触媒燃料改質装置（３２、１００）と、
前記無触媒燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を調整して、前記燃焼器に入る燃料の修正ウォッベ指数を制御するように構成された制御システム（１８）と、
を含んでいることを特徴とするガスタービン・エンジン・システム（１０）。
【請求項２】
前記無触媒燃料改質装置（１００）は更に、入口（１０８）及び出口（１１２）を持ち且つ燃料の一部分を前記無触媒燃料改質装置へ分流するように構成された側路導管（１１０）を有している、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項３】
更に、前記側路導管の中を通る燃料の流れを制御するように構成された絞り弁（１０６）及び側路弁の少なくとも一方を有している請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記絞り弁（１０６）は、前記側路導管入口（１０８）よりも下流で且つ前記側路導管出口（１１２）よりも上流で前記１つ以上の燃料回路（１０２）の中に配置され且つ前記無触媒燃料改質装置（１００）の両端間に圧力降下を生じさせるように構成されている、請求項３記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記側路弁は前記側路導管（１１０）の前記入口及び前記出口の少なくとも一方に配置されている、請求項２記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記無触媒燃料改質装置（１００）は更に、前記酸化剤を前記無触媒燃料改質装置へ供給するように構成された酸化剤入口（１１４）を有している、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記所定の比率が約２．３：１の燃料濃厚な酸素対メタン質量比である、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記所定の比率が約１７：１の近化学量論的空気対メタン質量比であり、且つ前記リフォーメートが難燃性燃焼生成物を有している、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項９】
ガスタービン・システム（１０）内の１つ以上の燃焼器（１４）に供給される燃料流からの燃料の修正ウォッベ指数を制御する方法であって、
無触媒燃料改質装置（３２、１００）において酸化剤流からの酸化剤と燃料の一部分とを所定の酸素対燃料質量比まで予混合する段階と、
触媒を用いないで前記燃料部分を改質して、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を有するリフォーメートを生成する段階と、
前記リフォーメートを前記燃料の残りの部分と混合して混合燃料流を生成し、次いで該混合燃料流を１つ以上の燃焼器へ供給する段階と、
前記燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を能動帰還制御システム（１８）により制御する段階と、
を有する方法。
【請求項１０】
前記無触媒燃料改質装置（３２、１００）への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を制御する前記段階は、更に、燃料温度、燃料組成、燃料の修正ウォッベ指数、湿度、動圧、周囲温度、及びタービン負荷の内の選択された１つ以上を監視する段階を含んでいる、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、ガスタービン・エンジン燃焼システムに関し、より具体的には、燃焼システムの動作能力を向上させるために燃料改質(fuel reforming)を行うための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一種類のガスタービン燃焼器は、希薄予混合燃料燃焼プロセスを用いることによって低ＮＯｘ排出レベルを達成しており、該プロセスでは、燃料と、全ての燃料を燃焼させるのに必要である過剰の空気とが、熱的ＮＯｘ生成を制御し制限するために燃焼の前に混合される。この種類の燃焼器は、しばしば乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器と呼ばれているが、不所望な空気汚染排出物の発生を益々少なくしながら、益々高い効率で動作することが絶えず要求されている。ＤＬＮ燃焼器を持つガスタービンの効率を高くすることは、一般に、燃焼室内の全体のガス温度を高くすることによって達成される。排出物は、典型的には、燃焼室内の最大ガス温度を下げることによって低減される。効率をより高くするために燃焼室をより高温にするという要求は、低排出物ＤＬＮガスタービン燃焼システムについての法的な要求事項とある程度矛盾する。その上、ＤＬＮ燃焼器は、通常、異なる種類の燃料に対処する能力に関して、「動特性(dynamics)」として知られている圧力振動によって制限される。これは、必要とされる燃料流量の変化から生じる注入システムの圧力比の変化に起因する。この制約は、修正ウォッベ指数(Modified Wobbe Index)によって表現される。すなわち、燃焼システムは改良された動特性についての設計ウォッベ数を持つ。修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）は、ＢＴＵ／ｓｃｆの単位で表した低い方の発熱値に比例し、且つ空気に対する燃料の比重とランキン温度で表した燃料の温度との積の平方根に反比例する。
【０００３】
希薄予混合燃焼モードで運転する１つの効果は、不所望な圧力振動を受ける虞があることである。振動振幅の大きさに依存して、このような圧力振動は燃焼装置を損傷することがある。更に、燃焼室内の燃料−空気混合物が希薄すぎると、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素（ＵＨＣ）の過剰な排出物が生じる虞がある。ＣＯ及びＵＨＣ排出物は燃料の不完全な燃焼から生じる。反応区域内の温度は完全燃焼を支えるのに充分に高くなければならない。さもないと、化学的な燃焼反応が、平衡に達する前に消失する。
【０００４】
このような相反する事態を改善するための１つの方法は、水素又は非メタン炭化水素燃料種目を標準的な燃料に付加することにより、燃焼器内での反応性を増大させることである。完全に予混合された高反応性の燃料を標準的な燃料に付加することにより、燃焼器ヘッドエンドは、エンジンのターンダウンの増大のために安定した火炎並びに適切なＣＯ及びＵＨＣ反応性を維持しながら、より低い燃料対空気比で動作させることができる。水素のような反応性燃料の付加は、ＮＯｘの生成を低くする或る特定の燃料分布を可能にすることができる。しかしながら、この方法は、水素貯蔵装置の追加又は現場での水素生成を必要とすると共に、所望量の水素を燃料流に注入するための計量システムを必要とする。これらのコストを削減するための１つの現在の方法は、タービン燃料を改質することによって、ガスタービン燃料供給システム内で水素を生成することである。
【０００５】
燃料から水素を生成して燃焼器へ供給するために接触改質装置が使用されている。接触改質装置は燃焼システムから離れた場所に配置することができ、或いはタービン燃料と流体連通して燃焼システム内に配置することができる。燃料自体から水素を生成することにより、現場での水素貯蔵の必要性が無くなり、またインライン形改質装置の場合には、水素計量システムも必要でなくなる。しかしながら、接触改質装置は定期的な点検保守を必要とすることがある。例えば、触媒の活性が時間につれて消失し、それによって改質装置に新しい触媒を装填することが必要なことがある。別の潜在的な問題は、改質装置の触媒が、例えば燃料中の硫黄によって活性低下し、燃料から水素を適切に形成するのを妨げることである。いずれの場合でも、触媒を変えることが不可欠である。システム設計に応じて、接触改質装置がオフラインである間、排出物が増加する虞があり、或いは、触媒を変えるためにガスタービンをオフラインにしなければならないことさえもある。
【０００６】
このような事態を改善するための１つの方法は、燃料の温度を制御することによって、或いは燃料に不活性ガスを配合することによって、燃料のＭＷＩを制御することである。このような制御システムは、ＭＷＩを好ましくない状態に駆動することのある入力燃料ガス組成の変化を補償することができる。それはまた、周囲雰囲気の変化又は負荷需要のいずれかによるガスタービンの運転状態の変化に合わせて調節するようにＭＷＩを変更することができる。しかしながら、制御システムは、熱交換器とそれに関連した制御装置及び熱源とを必要とし、或いは貯蔵された又は現場で生成される不活性ガスの源を必要とするであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６９９３９１１号
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一面によれば、圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービン・エンジン・システムにおいて、燃焼器に燃料を供給するように構成された１つ以上の燃料回路を有する燃料システムと、１つ以上の燃料回路と流体連通した無触媒燃料改質装置であって、酸化剤と１つ以上の燃料回路中の燃料の一部分とを燃料濃厚な(fuel-rich) 比率で受け取って、該燃料部分を改質してリフォーメート(reformate) を生成するように構成された無触媒燃料改質装置と、無触媒燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を調整して、燃焼器に入る燃料の修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）を制御するように構成された制御システムとが設けられる。
【０００９】
本発明の別の一面によれば、ガスタービン・エンジン・システム内の１つ以上の燃焼器に供給される燃料を用意する方法が提供され、該方法は、触媒を用いないで、無触媒燃料改質装置により、ガスタービン燃焼システムの１つ以上の燃料回路中の燃料の一部分を部分的に酸化する段階であって、該燃料部分と酸化剤とが前記燃料改質装置内に燃料濃厚な比率で存在する、当該段階と、得られたリフォーメートを前記燃料の残りの部分と混合して混合燃料流を生成し、次いで該混合燃料流を１つ以上の燃焼器へ供給する段階と、前記燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を能動帰還制御システムにより制御する段階とを含む。
【００１０】
本発明の更に別の一面によれば、ガスタービン・エンジン・システム内の１つ以上の燃焼器に供給される燃料の修正ウォッベ指数を制御する方法が提供され、該方法は、無触媒燃料改質装置内で酸化剤と燃料の一部分とを所定の燃料濃厚な酸素対燃料質量比まで予混合する段階と、触媒を用いないで前記燃料部分を改質して、水素及び一酸化炭素を有するリフォーメートを生成する段階と、前記リフォーメートを前記燃料の残りの部分と混合して混合燃料流を生成し、次いで該混合燃料流を１つ以上の燃焼器へ供給する段階と、前記無触媒燃料改質装置への燃料流及び酸化剤流の少なくとも一方を能動帰還制御システムにより制御する段階とを含む。
【００１１】
これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明からより一層明らかになろう。
【００１２】
発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、ガスタービン・エンジン・システムの概略図である。
【図２】図２は、図１のガスタービン・エンジン・システムの燃料回路と流体連通した濃厚予混合燃料改質装置の模範的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。
【００１５】
以下に記載するのは、ガスタービン・エンジン燃焼システムであり、より詳しく述べると、燃焼システムの動作能力(operability) を向上させるために濃厚予混合燃料改質を行うための方法及び装置である。ガスタービン・エンジン燃焼システムは、１つ以上の燃料回路と流体連通した無触媒燃料改質装置を利用して、ガスタービンに供給する燃料流の一部分を部分的に酸化する。燃料改質装置は、高価な触媒を用いないで、入力燃料流のＭＷＩに関係なく、ガスタービン内へのＭＷＩを複数の固定の設定値内に制御する手段を提供する。一部は液化天然ガスの市場への浸透に起因して、また一部はバイオ燃料及び合成燃料のような新しい環境技術に起因して、ガス燃料源が多様になるにつれて、ガスタービンはウォッベ変動に益々曝されている。燃料改質装置によりガスタービン内へのＭＷＩを固定の設定値に制御すると、燃料源のＭＷＩのこの変動の影響が低減される。その上、無触媒燃料改質装置は、燃料に少量の水素及び／又は一酸化炭素（ＣＯ）を添加することによって、火炎安定性及び排出物のような燃焼器性能を改善することができる。無触媒燃料改質装置はエンジン制御システムと動作上通信していて、所要の排出物制御（例えば、ＮＯｘ、黄色い柱状噴流（視覚可能なＮＯ２  ）など）又は動作能力（例えば、燃焼動特性又は動特性としても知られている燃焼圧力振動）を達成するために必要とされるような燃料調整を行う。本書で用いられる用語「燃料改質装置」は一般に、近化学量論的(near-stoichiometric) 又は濃厚な（すなわち、酸素不足の）環境内で酸化剤と予混合された燃料を改質するように構成された熱反応装置又は通常の燃焼器を表す。本書で述べるような燃料改質装置は触媒を利用せず、従って触媒を再装填するのに必要な定期的な点検保守並びにそれに伴うコストを必要としない。
【００１６】
近化学量論的又は燃料濃厚な動作の選択は、設計されているシステムの特定の目的に依存し、予め決定される。目的が主にＭＷＩを制御することである場合、改質装置は化学量論的燃料−空気比の近くで動作することができ、リフォーメートは難燃性燃焼生成物であり、これは、殆どＨ２  ＯとＣＯ２  より成り、少量のＣＯと、酸化剤と共に導入されることのある残量の不活性ガス（Ｎ２  ）とを含む。リフォーメートの温度は比較的高く、主燃料ガス流の中へ戻して混合する前のリフォーメート内では比較的高濃度のＮＯｘが生成される。逆に、目的が、ＮＯｘ生成を制限しながら、ＭＷＩの制御と少量の水素及びＣＯの生成の両方を行うことである場合、改質装置は、高濃度のＮＯｘが生成されるリフォーメート温度よりも低い温度で、燃料濃厚な形態で動作することができる。
【００１７】
図１は、ガスタービン・エンジン・システム１０の概略図であり、ガスタービン・エンジン・システム１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、駆動シャフト１５によって圧縮機１２に結合されたタービン１６とを含む。図示のように、システム１０は単一の燃焼器又は複数の燃焼器（図には２つ示されている）を有することができる。一実施形態では、燃焼器はＤＬＮ燃焼器である。別の実施形態では、燃焼器は希薄予混合燃焼器である。ガスタービン・エンジンはオペレータの指令と制御システム１８との組合せによって管理される。入口ダクト・システム２０は圧縮機入口案内翼２１へ周囲空気を通し、圧縮機入口案内翼２１はアクチュエータ２５による調節によって圧縮機１２への空気量を調整する。排気システム２２がタービン１６の出口からの燃焼ガスを、例えば、吸音装置、熱回収装置、及び場合により排出物制御装置に通すようにする。タービン１６は、電力を発生する発電機２４、或いは任意の他の種類の機械的負荷を駆動することができる。
【００１８】
ガスタービン・エンジン・システム１０の動作は、圧縮機１２、タービン１６、発電機２４及び周囲環境の様々な状態を検出する様々なセンサ２６によって監視することができる。例えば、センサ２６は、ガスタービン・エンジン・システム１０を取り巻く周囲の温度、圧力及び湿度と、圧縮機吐出圧力及び温度と、タービン排気ガス温度及び排出物と、ガスタービン・エンジン内の他の圧力及び温度測定値を監視することができる。センサ２６はまた、流れセンサ、速度センサ、火炎検出器センサ、弁位置センサ、案内翼角度センサ、動圧センサ、及びガスタービン・システム１０の動作に関する様々なパラメータを検知する他のセンサを含むことができる。本書で用いる用語「パラメータ」とは、その値を用いて、温度、圧力、規定位置における流体流量などのようなガスタービン・システム１０の動作状態を規定することのできる物理的特性を表す。
【００１９】
上記のセンサ２６に加えて、以下に述べる無触媒燃料改質装置３２より前に及び／又は後に燃料組成を決定するのに充分に燃料特性を監視し、測定し又は推測するために１つ以上のセンサを用いることができる。センサは、分別（燃料）組成、水素含有量、一酸化炭素含有量、燃料ＭＷＩを表すパラメータ、燃料温度、燃料流量及び酸化剤流量、生成物温度などの内の１つ以上を検知することができる。
【００２０】
燃料制御装置２８が制御システム１８からの指令に応答して、燃料供給装置から燃焼器（１つ又は複数）１４へ流れる燃料を連続的に調整し、燃焼器（１つ又は複数）１４の各々の中に配置された複数の燃料ノズル噴射器（すなわち、燃料回路）への燃料分割（各燃料回路への独立に制御される燃料供給）を行う。燃料制御装置２８はまた、二種類以上の燃料が利用可能である場合、制御システム１８からの指令によって、燃焼器に対する燃料の種類又は燃料の混合を選択することができる。燃料制御装置２８を介して幾つかの燃料ガス制御弁の間で燃料分割を変更調整し、且つ制御システム１８により１つ以上の燃料噴射器における部分的燃料改質を制御することによって、排出物及び動特性が機械の負荷範囲にわたって改善される。
【００２１】
制御システム１８は、上述のセンサ入力及び別のオペレータからの命令を用いてガスタービンの動作を制御するためのプログラムを実行するプロセッサ（１つ又は複数）を持つコンピュータ・システムとすることができる。制御システム１８によって実行されるプログラムは、燃料流、燃料改質、及び燃焼器（１つ又は複数）１４への燃料分割を調整するためのスケジューリング・アルゴリズムを含むことができる。より具体的に述べると、制御システムによって作成された指令が、燃料制御装置２８内のアクチュエータに作用して、無触媒燃料改質装置３２及び燃料ノズル噴射器の両方に対する流れを調整させ、圧縮機の入口案内翼２１を調節させ、無触媒燃料改質装置３２への酸化剤源の流れを調整させ、又はガスタービンについての他のシステム設定を制御させる。
【００２２】
このようなアルゴリズムにより、制御システム１８は燃焼器燃焼温度及び排気温度を所定の温度限界内に維持し、且つ部分負荷から全負荷ガスタービン動作状態に至るまでタービン排気のＮＯｘ及びＣＯ排出物を所定の限界以下に維持することができる。燃焼器１４はＤＬＮ燃焼システムとすることができ、その場合、制御システム１８は、所定の燃料分割スケジュールに従ってＤＬＮ燃焼システムのための燃料分割を制御するようにプログラムし修正し、また主要な燃焼器及びガスタービンの点検保守のための運転停止後にその都度行うチューニング処理によって、排出物及び燃焼動特性を改善するように修正することができる。燃焼器燃料分割はまた、周期的なチューニング処理によって、ガスタービンの動作能力境界に適合させながら性能上の目的を満足させるように設定される。全てのこのような制御機能は、ガスタービンの動作能力、信頼性及び稼働率を改善する目標を持つ。
【００２３】
無触媒燃料改質装置３２は、燃料制御システム２８内の１つ以上の燃料回路（図示せず）の燃料流と流体連通している。前に述べたように、無触媒燃料改質装置３２は、燃料反応性を増大させるためにガスタービンに供給される燃料の一部分を部分的に改質するように構成される。本書で述べるような無触媒燃料改質装置は、ガスタービンに供給する燃料流の一部分を予燃（すなわち、部分的に酸化）するように構成される。無触媒燃料改質装置には酸化剤及び燃料の混合物が供給され、その場合、燃料及び酸化剤は、無触媒燃料改質装置の中で予め混合させて、次いで燃焼させる。酸化剤は圧縮機１２によって無触媒燃料改質装置へ供給することができ、或いは別個の酸化剤供給装置から供給してもよい。無触媒燃料改質装置に供給すべき模範的な酸化剤としては、限定するものではないが、純酸素、空気、酸素富化空気、これらの組合せなどが挙げられる。
【００２４】
燃料及び酸化剤は、燃料濃厚で且つ酸素不足である比率に予混合される。酸素対燃料の模範的な混合比は、かなりな濃度のＮＯｘを生成するほどに高くない火炎温度で、無触媒燃料改質装置内で通常の火炎を支えるほどに充分に反応性になる比率である。従って、無触媒燃料改質装置内での許容可能な混合比の範囲は、これらの２つの限界の間のかなり狭い範囲であり、また改質装置に入る燃料の組成に大いに左右される。一実施形態では、酸素対燃料の質量比は、一般的には約１．５：１〜約４：１の範囲内にあり、より具体的には、燃料がメタンの場合、約２．３：１である。ガスタービン燃焼システムがメタン燃料及び（酸化剤として）空気を利用する模範的な一実施形態では、空気対燃料の質量比は、１０：１である。無触媒燃料改質装置内のこのような燃料濃厚で酸素不足の予混合混合物は、燃焼させたとき、メタンから二酸化炭素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素及び水を生成する。無触媒燃料改質装置において空気又は酸素富化空気が使用されたとき、窒素が一般に燃焼生成物中に、反応にあずからない不活性ガスとして存在する。次いで、そのリフォーメートは燃料流の残りの部分に戻されて混合される。
【００２５】
酸化剤として空気を用い且つ燃料としてメタンを用いる別の模範的な実施形態では、空気対燃料の質量比は、一般的には約２０：１〜５：１であり、具体的には約１８：１〜１０：１であり、より具体的には約１７：１である。このような近化学量論的な燃料−空気混合物は、結果として、主にＨ２  Ｏ、ＣＯ２  及びＮ２  を含有するが、非常に少ない量のＨ２  及びＣＯを含有するリフォーメートを生じる。この結果として得られる混合物は、もはやな可燃性でなくなるほどに酸素不足になり、燃料流に戻されて混合されたときに更なる燃焼を生じさせる危険性を何ら持たない。この実施形態の目的は、ＭＷＩ制御のみである。
【００２６】
無触媒燃料改質装置３２において改質される燃料の量は、入力燃料組成の変化を補償するために所定の限界内に燃料ＭＷＩを制御するように調節することができる。無触媒燃料改質装置へ分流される燃料の割合の制御は、その結果の混合燃料流のウォッベ指数を制御する手段である。ＭＷＩは、混合燃料流中に不活性種目（例えば、窒素、水）を含むことと反応の発熱性との組合せによって、その所定の目標値まで減じられる。前に述べたように、ＭＷＩは希薄燃焼器において重要なパラメータであり、且つ温度（密度）及び燃料組成の関数である。ＤＬＮ又は希薄予混合燃焼システムに無触媒燃料改質装置３２を使用することにより、このような改質装置を備えていない現在の希薄燃焼システムよりも、燃料流におけるＭＷＩ変化に対して許容範囲の大きいシステムが得られる。その上、リフォーメート中に存在する水素及び一酸化炭素が、ガスタービン燃焼器の希薄限界を拡大する反応性種目を提供する。この燃料反応性の増大により、燃焼器はＣＯ排出物限界を逸脱することなく更にターンダウンさせることができる。燃料の化学反応性の増大はまた、燃焼器におけるＮＯｘの形成を大幅に減少させるのに役立つ。その理由は、より反応性の高い燃料では燃料ノズル（１つ又は複数）をこのような高い火炎温度で動作させる必要がないからである。従って、前に述べたように、燃料ノズル（１つ又は複数）の最大火炎温度を減少させると、燃焼器におけるＮＯｘの形成が大幅に減少する。
【００２７】
無触媒燃料改質装置３２は、ガスタービン・エンジン燃焼システムにおいて典型的に用いられる任意の燃料、例えば、天然ガス（メタン）及び他の同様な気相燃料などを部分的に改質するために使用することができる。無触媒燃料改質装置３２は、燃料の僅かな部分を部分的に酸化して、水素、一酸化炭素及び他の燃焼生成物を形成するように構成される。無触媒燃料改質装置は、燃料の約０．１容積％（パーセント）〜約１００％、具体的には約０．５％〜約５０％、より具体的には約０．８％〜約５％、更により具体的には約１％〜約２％を改質することができる。改質される燃料の所望の百分率は、多数の因子、例えば、制限するものではないが、タービン負荷、燃料の種類、水及び／又は酸化剤の添加、燃料温度、排出物などに依存して定めることができる。制御システム１８は、無触媒燃料改質装置３２への燃料流を調整し且つ改質される燃料の百分率を任意のセンサ２６からの帰還に基づいて制御するように構成することができる。
【００２８】
無触媒燃料改質装置は、ガスタービン燃焼システムの燃料システムと流体連通していて且つ燃料の少なくとも一部分を受け取ることのできる任意の場所に配置することができる。無触媒燃料改質装置システムは燃焼器の１つの燃料回路又は複数の燃料回路と流体連通することができる。更に、ガスタービン燃焼システムは、１つ以上の燃料回路と流体連通した単一無触媒燃料改質装置又は複数の無触媒燃料改質装置を有することができる。図２は、燃料回路１０２と流体連通した無触媒燃料改質装置１００の模範的な一実施形態を例示する。無触媒燃料改質装置１００は、燃料導管１０４の外側に配置して、該導管の中を流れる燃料の一部分が分流されて該改質装置を通るようにする。燃料の一部分は、弁システムの操作により無触媒燃料改質装置１００の中へ分流させることができる。図２の実施形態では、燃料導管１０４に配置された絞り弁１０６が示されている。絞り弁１０６は燃料改質装置側路１１０への入口１０８よりも下流で且つ燃料改質装置側路１１０からの出口１１２よりも上流に配置される。絞り弁１０６は、無触媒燃料改質装置１００の両端間に圧力降下を生じさせることによって、燃料の一部分を燃料導管１０４から燃料改質装置側路１１０へ分流させるように構成される。別の実施形態では、側路弁（図示せず）を燃料改質装置側路１１０の入口１０８及び／又は出口１１２の位置に配置して、燃料改質装置側路１１０への燃料流を能動的に制御することができる。絞り弁１０６（及び／又は側路弁）並びに無触媒燃料改質装置１００は、エンジン制御システムと動作上通信して、タービン燃料の特定の部分のオンデマンド(on-demand) 改質を提供することができる。その上、側路弁の使用により、無触媒燃料改質装置１００は燃料回路１０２から隔離することが可能であり、且つガスタービン燃焼器への燃料流を中断させることなく作用することができる。酸化剤入口１１４が無触媒燃料改質装置１００と流体連通していて、燃料改質装置において燃焼の前に燃料と予混合するための酸素を供給するように構成される。酸化剤入口１１４はガスタービンの圧縮機と流体連通させることができ、或いは別個の酸化剤供給装置と流体連通させることができる。繰り返して云うと、酸化剤入口１１４は、酸素、空気、酸素富化空気、又はそれらの組合せを無触媒燃料改質装置１００へ供給することができる。
【００２９】
本書に記載する無触媒燃料改質装置は、改質される燃料の部分の制御、従って、ガスタービン燃焼器へ供給される混合燃料流のＭＷＩの制御を行うように構成されているエンジン制御システムと動作上通信する。制御システムは、とりわけ無触媒燃料改質装置へ分流される燃料部分及び入力燃料流のＭＷＩを検出できるように、センサ、熱電対などからの帰還信号を監視することができる。制御システムは更に、ガスタービン・エンジン燃焼システム全体を通じて温度及び圧力のようなプロセス状態を監視する。このような制御システムは、燃料供給量、燃料圧力、燃料改質装置側路の弁操作を調節し、補給プロセス・ガス供給量（例えば、酸化剤入口からの供給量）を調節し、又はガスタービン・システム内の他の同様な状態を制御するために用いることができる。このような制御システムに追加の帰還信号を供給するために燃料ガス分析サブシステムを更に設けることができる。制御システムは任意の数のプロセス・パラメータに基づいて燃料改質装置を作動し制御することができる。またセンサ、熱電対などからの帰還信号により、ガスタービン・システム内の様々な他の状態が制御システムに警告される。模範的なパラメータとしては、制限するものではないが、温度（例えば、周囲温度、燃料温度、ノズル温度、燃焼器温度など）、湿度、入口圧力損失、動圧、排気背圧、排気排出物（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣなど）、タービン負荷／出力、燃料ＭＷＩを表すパラメータなどが挙げられる。パラメータ監視と制御システムとの間のこの帰還ループにより、混合燃料流のＭＷＩ又は燃料の反応性を変更する必要性、従って、燃料流及び酸化剤流の一方又は両方を変えることによって無触媒燃料改質装置内での混合比率を変える必要性を指示することができる。或る特定のパラメータが所定の目標に達したとき、改質している燃料部分を変更すること、或いは改質を一時的に完全に中止することさえも適切なことがある。
【００３０】
本書で述べたような無触媒燃料改質装置及び該装置のガスタービン・エンジン燃焼システムにおける使用方法は、有利なことに、１つ以上の燃料回路中の燃料の一部分を改質して、入力燃料流におけるＭＷＩの変化にも拘わらずタービン燃焼器に供給する燃料のＭＷＩを制御することができる。更に、無触媒燃料改質装置は燃料反応性を高めるように構成される。燃料改質装置システムは能動帰還制御システムと動作上通信して、ガスタービンに入る燃料についてＭＷＩを固定の設定値に制御して、所望の排出物（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、黄色い柱状噴流、ターンダウンなど）を達成するために要求されるとおりに燃料調整を行う。無触媒燃料改質装置は、現在の低排出物燃焼システムを持つ現在のガスタービンを、燃料の多様さにより通常は希薄予混合燃焼システムの適用が排除されている場合又は動的燃焼不安定性に起因してそれらの低排出物効果が大幅に低減される場合にマーケットにおいて使用可能にすることができる。また、無触媒燃料改質装置により燃料中に水素及び一酸化炭素を添加したことによる希薄限界の拡大に起因して、ガスタービンは一層大きな負荷ターンダウンを達成することができる。更に、本書で述べたような無触媒燃料改質装置は、触媒を必要とせず、またその中で触媒反応を促進させない。従って、触媒が活性低下すること又は改質装置を停止させる定期的な再装填を必要とすることは何ら関心事ではない。
【００３１】
本書で用いられる用語は特定の実施形態を説明する目的のためであり、本発明を制限しようとするものではない。本書で開示した数値の範囲は包含的で組合せ可能である（例えば、「約２５容積％まで、又はより具体的には約５容積％〜約２０容積％」という範囲は、「約５容積％〜約２５容積％」の端点と全ての中間の値を包含する。）。また、「組合せ」は、配合、混合、合金、反応生成物などを包含する。更に、用語「第１」、「第２」などは、順序、品質又は重要さを表すものではなく、むしろ一要素を別の要素から区別するために用いられており、また、数を特記していない用語は量の制限を表しているのではなく、むしろその項目が少なくとも１つ存在していることを表す。また、数量に関して用いられる修飾語「約」は、記載の値を包含し、状況によって決定される意味を持つ（例えば、特定の量の測定に関連した誤差の程度を含む）。また、本書で用いられる接尾辞「（１つ又は複数）」は、それが修飾している項目を単数及び複数の両方を含むこと、従って、その項目を１つ以上含むこと（例えば、「着色剤（１つ又は複数）」とは１つ以上の着色剤を含むこと）を意図している。また、明細書の中に記載した「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「一実施形態」などは、その実施形態に関連して述べた特定の要素（例えば、特徴、構造及び／又は特性）が本書に述べた少なくとも１つの実施形態に含まれ、且つ他の実施形態において存在しても存在しなくてもよいことを意味する。更に、記載した複数の要素は様々な実施形態のおいて任意の適当な態様で組み合わせることができることを理解されたい。
【００３２】
（技術的及び科学的用語を含む）全ての用語は、他に特に定義されていなければ、発明の実施形態が属している技術分野の当業者によって普通に理解されているのと同じ意味を持つ。更に、通常用いられている辞書に定義されているものような用語は、それらの意味が関連技術及び本明細書に関して同じ意味を持つものとして解釈すべきであり、かつ本書で特に明確に定義されていなければ理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されないことが理解されよう。
【００３３】
以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」によって制限される。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ガスタービン・エンジン・システム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１５  駆動シャフト
１６  タービン
１８  制御システム
２０  入口ダクト・システム
２１  入口案内翼
２２  排気システム
２４  発電機
２５  アクチュエータ
２６  センサ
２８  燃料制御装置
３２  無触媒燃料改質装置
１００  無触媒燃料改質装置
１０２  燃料回路
１０４  燃料導管
１０６  絞り弁
１０８  入口
１１０  燃料改質装置側路
１１２  出口
１１４  酸化剤入口
【図１】
2011252494.tif 000003
【図２】
2011252494.tif 000004