(57)【要約】【解決手段】  本発明は、燃焼装置に供給される燃料組成を変えることにより、燃焼装置を連続的に測定し制御するシステムと方法と提供する。このシステムは、燃料特性、燃焼特性、または他の装置特性等に関する情報を検知し、検知した情報に基づき燃焼装置の性能を制御する装置を含んでいる。性能の制御は、燃料に１つまたはそれ以上の添加物を加えて燃焼特性を調節することで行われる。このような検知と性能制御によって、燃料特性が変化しても燃焼装置に定常な性能が維持される。１つの実施例では、燃焼装置に供給される燃料について検知を行い、燃料の組成と流量に基づき１つまたはそれ以上の添加物が燃料に添加される。他の実施例では、運転中の火炎特性等の燃焼装置特性が検知されて用いられ、１つまたはそれ以上の添加物が繰り返し添加されることにより燃料特性を調節する。【選択図】  図１
2007524065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給装置を有する燃焼装置と供に用いるための燃料供給調節システムであって、
前記燃焼装置における燃焼に関連する特性を検知するセンサと、
この検知された燃焼に関連する特性を許容範囲と比較し、検知された燃焼に関連する特性が前記許容範囲から外れると出力を出力するためのプロセッサと、
前記燃料供給装置に添加物を供給する添加物供給装置であって、添加物の供給が前記プロセッサの出力により起動される添加物供給装置と、を含むことを特徴とする燃料供給調節システム。
【請求項２】
検知される燃焼に関連する特性が燃料供給用に検知される燃料特性であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
センサは、赤外吸収分光法、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、ラマン分光法、ガスクロマトグラフ法、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、質量分析法、およびイオン移動度分光法からなるグループから選択される方法を用いて燃料特性を検知することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
センサは、フレームイオン化検出器（FID）、熱伝導度測定装置、熱容量測定装置、音響測定装置、および密度測定装置からなるグループから選択される装置を用いて燃料特性を検知することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
燃料特性は、燃料組成、燃料燃焼性状、および燃料流量からなるグループから選択される少なくとも１つのものを含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
検知される燃料特性が検知される燃料燃焼性状であり、前記センサはさらに燃料流量を検知し、前記許容範囲が予め定められた燃料燃焼性状と燃料流量を組み合わせた範囲であり、ここでこの検知された燃料燃焼性状と検知された燃料流量が予め定められた組み合わせた範囲より低い場合には添加物に燃焼促進物を含み、検知された燃料燃焼性状と検知された燃料流量が予め定められた組み合わせた範囲より高い場合には添加物に燃焼抑制物を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
添加物が燃焼促進物および燃焼抑制物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
燃焼促進物は、水素、アセチレン、酸素、酸素を増加させた空気、および亜酸化窒素からなるグループから選択される反応性化学物質を含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
燃焼抑制物が、窒素、酸素を取り除いた空気、二酸化炭素、再循環排気ガス、水、および水蒸気からなるグループから選択される不活性希釈物であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
センサは燃料性能の指数を検知することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
燃料性能の指数はウォッベ指数およびウェーバー指数からなるグループから選択されるものを含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
燃焼に関連する特性が前記燃焼装置の燃焼特性であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
燃焼装置の燃焼特性は火炎特性を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
火炎特性が、火炎の明滅、火炎色、火炎の生成物組成、火炎位置、および火炎の動揺からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
センサが、化学発光検出器、フレームスキャナ、加速度計、火炎撮像装置、圧力トランスデューサ、音響センサ、モーションセンサ、および火炎検出器からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
センサは燃焼安定性、および燃焼性能からなるグループから選択されるものを決定することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
燃焼安定性が、燃焼室圧力、および燃焼室圧力変動からなるグループから選択されるものを測定することにより決定されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
燃焼性能が、火炎温度、排気温度、および排出内容からなるグループから選択されるものを測定することにより決定されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
センサは、圧力トランスデューサ、音響センサ、振動センサ、およびモーションセンサからなるグループから選択されるものを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
燃焼装置がタービンであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
燃焼装置がピストンエンジンであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
燃料供給が天然ガス供給であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
添加物供給が添加物供給源からなされることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
添加物供給が供給制御機構により制御されることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
供給制御機構はメータリングバルブを含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
処理装置はアナログコントローラおよびデジタルコンピュータからなるグループから選択されるものを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
検知された燃焼に関する特性が、第２の燃焼装置の燃料供給に対する第２の添加物供給の供給制御に用いられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
供給される添加物を伴った燃料供給装置が第２の燃焼装置に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
燃料供給装置を有する燃焼装置と供に用いるための燃料供給調節システムであって、このシステムは、
燃料組成と燃料供給速度を検知するセンサと、
この検知された燃料組成と燃料供給速度を、燃料組成と燃料供給速度の許容範囲と比較し、検知された燃料組成と燃料供給速度が前記許容範囲から外れると出力を出力するための処理装置と、
前記燃料供給装置に選択された添加物を供給する添加物供給装置であって、選択された添加物の供給が前記処理装置の出力により起動され、選択された添加物は燃焼促進物と燃焼抑制物からなるグループから選択され、この添加物供給装置は添加物供給速度を有し、燃焼特性が予め選択された範囲に入るように添加物供給速度が選択されて燃料と添加物の混合物が生成される添加物供給装置とを含むことを特徴とする燃料供給調節システム。
【請求項３０】
燃料供給装置を有する燃焼装置と供に用いるための燃料供給調節システムであって、このシステムは、
前記燃焼装置における燃焼特性を検知するセンサと、
この検知された燃焼装置の燃焼特性を許容範囲と比較し、検知された燃焼特性が前記許容範囲から外れると第１の出力を、および検知された燃焼特性が許容値に入ると第２の出力を出力するためのプロセッサと、
前記燃料供給装置に添加物を供給する添加物供給装置であって、添加物の供給が第１の出力により起動され、かつ添加物の供給停止が第２の出力により起動される添加物供給装置とを含むことを特徴とする燃料供給調節システム。
【請求項３１】
燃焼装置における燃料供給の調節のための方法であって、この方法は、
前記燃焼装置における燃焼に関連する特性を検知し、
この検出された燃焼に関連する特性を許容範囲と比較して比較結果を出力し、
この比較結果に従って燃料供給への添加物の供給を変化させることを特徴とした燃料供給の調節のための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、仮出願番号60/535,716号（2004年1月12日出願）、名称「火炎の安定化と制御のためのシステムと方法」に対して優先権を主張し、これを本明細書の一部を構成するものとして援用する。本出願は、また仮出願番号60/634,286号（2004年12月9日出願）、名称「定常な燃焼特性を維持するための不活性ガスによるガス状燃料の希釈」に対して優先権を主張し、これを本明細書の一部を構成するものとして援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的に燃焼関連の装置に関し、特に、燃焼をモニターすると供に燃料供給に添加する１つまたはそれ以上の添加物の制御を通して燃焼を制御する燃焼関連装置に関する。
【０００３】
本発明の実施例の簡単な説明
方法とシステムの実施例の説明
本発明の実施例は、燃料特性、燃焼特性、または他の装置特性等の燃焼関連情報をリアルタイムまたは近リアルタイムで検知または別な方法で決定し、この検知した情報に基づき燃料への添加物を用い１つまたはそれ以上の燃焼特性を調節して燃焼装置（例えばタービンまたは燃焼器を含む装置）の性能を制御するための方法とシステムを提供する。この様な検知と性能の制御を通して、例えば、燃料の質や型の変動等、入力または他の要因の変動に関わらず定常な燃焼装置性能が維持される。そのような燃料の変動としては、例えば、燃焼装置に用いる天然ガスのその産地に依存した燃焼特性の変動、または燃料の型の変動等が挙げられる。
【０００４】
第１の実施例では、燃焼装置性能は、燃料特性を検知し、必要に応じて１つまたはそれ以上の添加物を燃料供給に添加することを通して（間接的に）制御される。例えば、この実施例の１つの変形例は、燃焼装置に供給される燃料の燃料特性（例えば、燃料供給速度や燃焼性能に関する燃料の化学的または他の側面）が、燃料組成および供給速度センサ等を通してモニターされる。このモニターされた結果は燃料特性の許容範囲（例えば許容燃焼器性能を与える燃料特性の範囲）と比較され、モニターされた結果が許容範囲を外れると、適切な量の利用可能な燃料の添加物が決定され、この添加物が燃料供給に添加され、燃料が許容範囲にあれば得られたであろう燃焼器性能を与える。
【０００５】
例えば、燃料の分析により、添加物を含まない燃料では燃焼器内の火炎速度が低くなりすぎると決定されれば、適量の燃焼促進物が（例えば、検知された燃料供給速度が与えられると添加物の燃焼促進の計算に基づき）計算されて添加物として燃料供給に添加され、火炎速度を増加させて許容レベルにする。一方、例えば、燃料の分析により、添加物を含まない燃料では燃焼器内の火炎速度が速くなりすぎると決定されれば、適量の燃焼抑制物が計算されて添加物として燃料供給に添加され、火炎速度を減少させ許容レベルにする。この実施例では、一度、その燃料用に適切な添加物の特性が決定されると、連続的な追加モニターと制御は不要である（しかし、例えば燃焼品質を維持するために、状況に応じて燃焼装置の燃料または燃焼側どちらかで追加のモニターと制御を用いてもよい）。
【０００６】
第２の実施例では、燃焼装置性能が燃焼器性能特性の検知を通して制御され、必要に応じて１つまたはそれ以上の添加物が燃料供給に添加され、燃焼器を許容性能範囲にする。例えば、この実施例の１つの変形例は、燃焼性能特性（例えば、燃焼器内で発生した圧力、燃焼または排出生成物、温度または他の燃焼の特徴）がモニターされ、モニターの結果が燃焼性能特性の許容範囲と比較される（例えば、許容燃焼器性能を与える燃焼特性の範囲）。モニター結果が許容範囲から外れると、適切な量の利用可能な燃料の添加物が燃料供給に添加され、燃焼器特性が再度モニターされ、この結果が許容範囲にあるかどうか決定される。このプロセスは連続フィードバックループとして燃焼特性が許容範囲に入るまで繰り返され、そこで添加物の供給が維持される。
【０００７】
例えば、燃焼器性能特性によって、添加物を含まない燃料では燃焼器内の火炎温度が低くなりすぎると決定されれば燃焼促進物が添加物として燃料供給に添加され、火炎温度が高くなる。許容火炎温度に到達すると添加物の供給が維持されるし、そうでなければ許容火炎温度に到達するまで一層の添加物が繰り返し添加される。同様に、燃焼器性能特性によって、添加物を含まない燃料では燃焼器内の火炎温度が高くなりすぎると決定されれば燃焼抑制物が添加物として燃料供給に添加され、火炎温度が低くなる。許容火炎温度に到達すると添加物の供給が維持され、そうでなければ許容火炎温度に到達するまで一層の添加物が繰り返し添加される。
【０００８】
第２の実施例の第２の変形例では、燃焼装置の他の（非燃焼）特性がモニターされて性能が決定され、必要に応じて添加物が添加され、燃焼装置を許容性能範囲にするまたは維持する。例えば、燃焼器内の圧力変動が大きすぎると、結果として燃焼装置の振動が生じる場合がある。同様に、この実施例の第１の変形例では、燃焼器内の圧力を増加させる添加物が燃焼装置における許容性能（例えば許容振動レベル）になるまで燃料供給に繰り返し添加される。
【０００９】
第２の実施例の各変形例では、検出された燃料供給速度および燃料特性または他の情報を検知された燃焼装置特性と関連して用い、例えば、添加物供給をより精密に決定し制御を行ってもよい。
【００１０】
燃焼装置に対してこれらの機能を実行するために、本発明の各実施例では、一般的に１つまたはそれ以上のセンサ、１つまたはそれ以上の添加物の供給源、対応する制御機構を持った１つまたはそれ以上の添加物フロー制御装置（例えばバルブ）、およびセンサ入力を受け取る１つまたはそれ以上のプロセッサまたは処理装置を使用しており、状況に応じて燃料フローに添加する添加物の適量を決定し（実施例による）、制御機構を通して添加物フロー制御装置の運転を管理する。
【００１１】
燃焼装置
本発明で用いることができる燃焼装置は、燃料を燃焼するために使用される、任意の数多くの既知または開発された燃焼器またはバーナー装置を含んでいてもよく、また、これらの装置は一般的に多種多様の目的に用いられることができる。例えば、燃焼装置は、天然ガスまたは他の燃料（または、例えば運転に使用可能な、または運転用に調節された種々の燃料）を使用して発電を行うように設計されたタービンまたはピストンエンジンを含んでもよい。
【００１２】
センサ
本発明には多数のセンサを用いることができる。例えば、本発明に用いることができるそのようなセンサは、燃料組成あるいは燃焼性状、あるいは両方を直接的あるいは間接的に測定することができるものである。燃料組成を直接測定する場合は、燃料を構成する様々な化学物質の量の測定のためにセンサ内に（あるいは、例えば、さらに下に記載するようにセンサに結合したプロセッサまたは処理装置内に）多数の技術を用いることができる。これらの技術としては、赤外吸収分光法、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、ラマン分光法、ガスクロマトグラフィー、質量分析、核磁気共鳴、電子スピン共鳴、またはイオン移動度分光法、あるいはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
燃料組成を間接的に測定する場合に使用可能な手段は、フレームイオン化検出器（FID）、熱伝導度測定、熱容量測定、音速の測定、または密度測定、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。特に間接測定に関する実施例で用いられる場合には、これらのセンサは、後で詳細に記載されるウォッベ指数を含み、必要に応じて燃焼性能の指数を測定または決定するために用いることができるものであり、燃料の流量を測定するように設計された既知の型や方法を含むことができる。
【００１４】
火炎検知に関しては（直接測定）、センサは、例えば、１つまたはそれ以上の化学発光検出器、フレームスキャナ、火炎撮像装置、または火炎検出器等（これらに限定されるものではない）を使用して火炎の場所または動揺または両方を測定することにより燃焼の安定性を測定することができる。センサは、例えば燃焼室の圧力および圧力変動を測定することで燃焼安定性を測定するように選択または構成することができる。また、加速度計を用いて燃焼が誘導する圧力動揺に起因する燃焼装置内の振動を測定してもよい。 燃焼性能は、燃焼火炎温度、排気温度、排出物、またはこれらの任意の組み合わせ等の特性を測定することで測ることができる。
【００１５】
プロセッサ
プロセッサ（本明細書では、「処理装置」または「コントローラ」と称するものを互換的に指す）は、前記センサまたは他の情報からの入力に基づき計算を行い燃焼性能や安定性を評価し、定常な燃焼性能および／または安定性が得られて維持されるように、（例えば、添加物供給を制御するバルブまたは他の機構を制御する）添加物システム用の制御信号、機械的あるいは油圧的な動作、または他の制御機能を発生することができる。このコントローラは、例えば定常な熱発生速度や燃料ジェット特性を維持可能なように、（例えば、１つまたはそれ以上の添加物の供給を制御することにより）燃焼器へ供給される燃料性状を制御することができる。コントローラはまた、定常な燃焼指数を維持するような方法により定常な燃焼性状を維持することができる。この指数は下に記載するが、ウォッベ指数またはウィーバー指数、または両方（または、燃料の燃焼性状を特徴づけるために考案されたその他の指数）等がある。
【００１６】
コントローラはまた、（例えば、燃料に添加される添加物の量を制御することを通して）例えば火炎速度または他の主要な燃焼性状を調節することによって安定な燃焼を維持することができる。コントローラはアナログ装置、例えば、調節された制御係数を使用し入力信号から制御出力を発生させるPID（比例・積分・微分）コントローラ等でもよい。コントローラはまたデジタル装置、例えばPLC（プログラマブル・ロジック・コントローラ）またはコンピュータ等でもよい。コンピュータはソフトウェアでアナログ装置を模擬するものでもよく、または検知システムからの情報を用いて燃焼指数や他の燃料性状を計算し、次に、予め定められた指数値または性状値を維持する添加物の必要量を計算する。コントローラはスタンドアロンな装置でも、インターネット等のネットワークに接続あるいは形成する装置などを含み、１つ以上の結合した装置でもよい。 そのような装置または装置群は「学習」機能を有したものでもよく、これにより、本発明では運転の経験に基づき制御アルゴリズムを自己最適化することが可能となり、これは幾つかの実施例で適応可能である。
【００１７】
コントローラの出力は燃焼装置の安定性と相関させ安定性インディケータとして用いてもよい。この安定性インディケータは、重大な安定性低下が起こる前に燃焼装置を停止させることに用いてもよい。さらに、安定性インディケータは、例えば異常の場合の決定に役立てるために運転記録を行う等、燃焼装置の他の機能の一部としてまたは関連させて用いてもよい。
【００１８】
図１に示すように、本発明のコントローラはハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせを用いて実施してもよいし、１つまたはそれ以上のコンピュータシステムまたは処理システムで実施してもよい。本発明の１実施例では、ここに記載した機能を実行することができる１つまたはそれ以上のコンピュータシステムに対するものである。
【００１９】
コンピュータシステム1はプロセッサ4等の１つまたはそれ以上のプロセッサを含む。プロセッサ4は通信基盤6（例えば、通信バス、クロスオーバー・バー、またはネットワーク）に接続されている。多くのソフトウェアの実施例は、この代表的なコンピュータシステムの観点で記述されているが、本明細書の記述によれば、当業者にとって他のコンピュータシステムおよび／またはアーキテクチャを用いて本発明を実施する方法は明らかである。
【００２０】
コンピュータシステム1には表示インターフェース2があり、通信基盤6（または図示しないフレームバッファ）からのグラフィックス、テキスト、および他のデータを表示装置30に伝送し表示させる。コンピュータシステム1はまた、主記憶装置8、望ましくはランダムアクセスメモリ（RAM）を含み、さらに補助記憶装置10を含んでもよい。補助記憶装置10は、例えば、ハードディスク装置12、および／または、フローッピイディスク装置、磁気テープ装置、光ディスク装置等に代表される着脱式記憶装置14を含んでもよい。この着脱式記憶装置14は、よく知られた方法で着脱式記憶ユニット18から読み込み、および／または、このユニットに書き込みを行う。フローッピイディスク、磁気テープ、光ディスク等に代表される着脱式記憶ユニット18は、着脱式記憶装置14により読み込まれてこの装置に書き込みがなされる。明らかなように、着脱式記憶ユニット18はコンピュータソフトウェアおよび／またはデータがその中に保存されたコンピュータで使用可能な記憶媒体を含む。
【００２１】
他の実施例では、補助記憶装置10はコンピュータプログラムまたは他のインストラクションをコンピュータシステム1にロード可能な類似した他の装置を含んでよい。このような装置は、例えば、着脱式記憶ユニット22とインターフェース20である。このような装置の例としては、プログラムカートリッジとカートリッジインターフェース（ビデオゲーム装置等で見られる）、着脱式のメモリチップと関連するソケット（消去型プログラマブル・リードオンリーメモリ（EPROM）、またはプログラマブル・リードオンリーメモリ（PROM）等）、その他着脱式記憶ユニット22とインターフェース20で、ソフトウェアおよびデータを着脱式記憶ユニット22からコンピュータシステム1に伝送することが可能のもの等が挙げられる。
【００２２】
コンピュータシステム1はまた、通信インターフェース24を含んでもよい。通信インターフェース24は、コンピュータシステム1と外部装置間でソフトウェアおよびデータの伝送を可能にする。通信インターフェース24の例としては、モデム、ネットワークインターフェース（例えばイーサネットカード）、通信ポート、パーソナルコンピュータメモリカード国際協会（PCMCIA）スロットおよびカード等が挙げられる。通信インターフェース24を介して伝送されるソフトウェアおよびデータは信号28の形態であり、通信インターフェース24により受信可能な電気的、電磁気的、光学的または他の信号であればよい。これらの信号28は通信経路26（例えばチャンネル）を介して通信インターフェース24に供給される。この通信経路26は信号28を伝送するが、ワイヤーまたはケーブル、光ファイバ、電話回線、携帯電話リンク、無線周波数（RF）リンク、および／または他の通信チャンネル等を用いて実施してよい。本明細書では、「コンピュータプログラム媒体」および「コンピュータ使用可能な媒体」の用語は、一般的に着脱式記憶装置14、ハードディスク装置12に設置されたハードディスク、および信号28の等の媒体を指して用いている。これらのコンピュータプログラム製品はソフトウェアをコンピュータシステム1に供給する。本発明はこのようなコンピュータプログラム製品に対するものである。
【００２３】
コンピュータプログラム（コンピュータ・コントロール・ロジックとも称する）は主記憶装置8および／または補助記憶装置10の中に記憶される。コンピュータプログラムはまた通信インターフェース24を介して受信してもよい。このようなコンピュータプログラムが実行されると、ここに述べるように、コンピュータシステム1は本発明の特徴を達成することができる。具体的には、コンピュータプログラムが実行するとプロセッサ4が本発明の特徴を達成させることができる。従って、このようなコンピュータプログラムはコンピュータシステム1のコントローラに代表される。
【００２４】
本発明がソフトウェアを用いて実施される実施例では、ソフトウェアがコンピュータプログラム製品に記憶されており、着脱式記憶装置14、ハードディスク装置12、または通信インターフェース24を用いてコンピュータシステム1にロードされてもよい。制御論理（ソフトウェア）がプロセッサ4で実行されると、プロセッサ4は明細書に記載されている本発明の機能を達成することができる。他の実施例では、本発明は、例えば特定用途向け集積回路（ASICs）等のハードウェア部品を用い主にハードウェアで実施される。本明細書に記載された機能を達成するため、ハードウェア状態の装置で実施する方法は、当業者にとって明らかである。
【００２５】
さらに他の実施例においては、本発明はハードウェアとソフトウェアの両方の組み合わせを用いて実施される。
【００２６】
添加物供給
本発明の添加物供給部は、コントローラの演算または他のコントローラ機能によって、必要に応じ燃料に添加物を添加する機能を提供する。本発明の添加物供給部は、必ずしも必要ではないが添加物を保持する貯蔵部を有してよい。本発明の添加物供給部は、「そこにある」直ちに使える状態にある物質を用いて添加物として添加することもでき、これらの添加物としては、水蒸気、空気、直ぐに使える排気ガス、あるいは他の生成物または生成可能な物質等である。このような添加物は、例えば、ある構成成分（例えば空気や水）を取り出し１つまたはそれ以上の成分に分離することにより、または特定の成分と反応を起こさせることにより発生させて本発明に用いることが可能である。
【００２７】
このような添加物は、例えば排気ガスから、または空気分離手法を用いて派生させることができ、水蒸気または水をも含めるまたは利用するものであってよい。さらに、この添加物システムの添加物は反応性化学物質を含むことができ、例えば燃焼促進物として作用する。これらは水素(H2)、アセチレン (C2H2)、亜酸化窒素(N2O)、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。燃焼抑制物として機能するためには、添加物に不活性希釈物を含むことができ、窒素(N2)、空気、酸素を除去した空気、二酸化炭素(CO2)、再循環された排気ガス、水、または水蒸気、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。燃焼抑制添加物もまた同様に火炎抑制化学物質を含むことができ、ハロゲン元素を含む化学物質が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
本発明の添加物供給部は、燃料に対して混合させる添加物の量を制御するメータリングバルブまたは他のバルブ、またはその他の制御機構を含むことができ、制御機構の動作を制御する電気的、機械的、油圧的、または他の動作機構も同様に含むことができる。メータリングバルブは、直接あるいはこのような制御機構または制御機構群を通し、例えばコントローラへのカップリングを介して制御される。
【００２９】
燃料と燃焼装置の性状
以下の燃料と燃焼装置の情報と性状は、一般に本発明の実施例を実施するためのシステムと方法に適応可能である。
【００３０】
燃料特性
燃料特性のあるものは、異なる燃料が同じ燃焼装置の中で同じように挙動するかどうか決定するために役立つ。ウォッベ指数として知られるパラメータが両方の燃料で同じであれば、それら燃料は多くの場合与えられた燃焼システムでも同様に挙動する。ウォッベ指数（WI）は燃料の単位体積当たりの熱量の、燃料密度の平方根に対する比として定義される。二つの燃料でWIが同じ場合、燃料吸い込みノズルでの圧力損失が同じであれば、装置への熱入力は二つの燃料でほぼ同じである。燃料ジェットペネトレーション、従い燃料空気の混合もほぼ同じである。従って、定常なWIを維持することは燃焼装置において定常な性能を維持するためには重要である。
【００３１】
WIは、元来、安定な燃焼領域で運転される拡散火炎燃焼器および単純な予混合バーナーにおいて燃焼される燃料の互換性を決めるために開発されたものであり、ガスの互換性に関して適する制約条件は定常な熱発生速度である。しかしながら、希薄予混合の乾式低公害型（DLE）の燃焼器（近代の発電用ガスタービンに使用されるもの等）は、安定性が低い燃焼領域で運転されるため、定常な運転を保証するために熱発生速度だけでは一般的に十分な制約条件とは言えない。従って、一層の制約条件を考慮せずに、希薄予混合燃焼器の互換性を算出するためにWIを適応するだけでは必ずしも十分とは言えない。他の火炎性状の互換性をモニターするために他の指数が開発されてきた。例えば、ウィーバー指数では、燃焼用途において提案代替えガスの熱放出、フレームリフト、フラッシュバック、およびイエローティピングを参照ガスに対して比較する。さらに、火炎速度等の基本的な燃焼性状もモニターを行い、燃焼の安定性を予測する方法の一部として用いてもよい。
【００３２】
従って、上述のような燃料特性を制御するために燃焼器に供給される燃料混合物の化学組成を調整することで、燃焼の安定性制御を達成してもよい。これは、燃料混合物に添加物を添加することを通して燃料流の組成を変化させることにより達成してもよい。添加物によって、例えば火炎速度、火炎温度、または単位体積当たりの熱放出速度等を増加あるいは減少させることができる。添加物は反応性化学物質（例えば、水素、アセチレン、N2O）、希釈物（例えば、窒素、CO2、水蒸気、または再循環排気ガス）、または火炎ラジカル補足化学物質（例えば、ハロゲン含有化学物質）、またはこれらの任意の組み合わせ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３３】
予混合燃焼装置とバーナー
本発明で用いることができる予混合燃焼装置は、運転の際に、天然ガスまたはその他供給ガス（プロセスガスや合成ガス等）の組成の変動に対して弱い、低公害型ガスタービンに使われるものを挙げることができるが、これに限定されるものではない。非常に低い汚染物排出に調整された予混合システムは、フラッシュバックと吹き消えの間の狭い安定領域で運転している。燃焼器内の火炎速度が流速よりも速い場合にはフラッシュバックが起こり、火炎が上流に伝搬する。燃焼器内の火炎速度が流速よりも遅い場合には吹き消えが起こり、火炎が下流に吹き飛び消火する。一般的に安定な燃焼のためには火炎速度が流速と同じでなければならない。火炎速度と流速が正確に一致しなくても火炎を安定させるために、多くの技術が用いられている。
【００３４】
しかしながら、これらの制約条件のために安定領域が狭くなり、火炎速度と流速の不一致が大き過ぎれば、やはりフラッシュバックや吹き消えが起こり得る。火炎速度は燃料組成の関数であるため、安定性の問題は天然ガスや他の供給ガスの組成変化によって起こり得る（例えば、ノード（L. Nord）とアンダーセン（H. Andersen）の著書、「天然ガスの性状変化が高出力ガスタービンにおける排出物と脈動の面で燃焼プロセスに与える影響
(Influence of Variations in the Natural Gas Properties on the Combustion Process in Terms of Emissions and Pulsations for a Heavy Duty Gas Turbine)」を参照のこと。本明細書では、この著書の全記載内容を明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。予混合は流体力学の制御に大きく依存し、かつ火炎の安定性は流体力学と反応速度に依存するために、予混合燃焼器は特に燃料性状の変化に敏感である。火炎の安定性の低下は圧力変動および脈動、および共鳴音響を引き起こし、加熱部分の部品の損傷および劣化の原因になり得る。（しかしながら、これらの特性は本発明の幾つかの実施例に従い燃焼装置の運転支援のために検知または別の方法で利用してもよい。）
【００３５】
典型的実施例
燃焼器の性能は多数の方法で測定および／あるいは検知してよい。例えば、燃焼装置の性能特性を決定することにより直接に燃焼器性能を測定および／または検知してよい。または、燃料特性を決定することにより間接的に燃焼器性能を測定および／または検知してもよい。これらの二つの例では、燃料への添加物（例えば反応性化学物質、反応抑制化学物質、不活性希釈物）の添加は燃料の組成変化を引き起こすために用いることができる。直接測定はフィードバック型の制御ループの入力として用いてよいし、一方、間接測定はフィードフォーワード型の制御ループの入力として用いてよい。
【００３６】
燃焼装置の性能特性を決定することにより燃焼性能を直接決定してもよい。例えば、安定性は、火炎の化学発光等、燃焼器内の火炎位置のインディケータを測定することにより、または、例えば火炎により発生させられた音響あるいは光学的（化学発光）放射を検出し火炎の断続性を検知することにより決定することができる。図2は本発明の１実施例による燃焼性能を直接決定するシステムの例を示す。図2に示すように、このシステムは、燃料ライン105、検知システム110、検知システム110からの情報を評価（例えば、燃料組成を制御するため、または安定性リスク評価、データ記録、および排出物予測を提供するために）するコントローラ115、コントローラ115によって与えられた情報を用いて燃料添加物を制御する添加物システム120、および燃料を燃焼させる燃焼器125を含む。
【００３７】
図3は、本発明の１実施例による燃焼性能を直接決定する方法の例を示す。ステップ205では、少なくとも１つの燃焼特性が検知システムを用いて決定される。例えば、動的な圧力動揺等の火炎または燃焼器特性が測定される。これらの動的な圧力動揺は圧力トランスジデューサーを用いて測定可能で燃焼器内の圧力変化を時間の関数として示すことができる。ステップ210では、コントローラが燃焼特性を解析する。次に、例えば、動的な圧力動揺が解析され移動平均が決定される、または所定の限界値と比較される。解析の結果、燃焼器の性能が低下していれば、燃料組成に対して何らかの変化が必要である可能性がある。ステップ215では、コントローラは燃焼器の動的な問題を解決するためには燃料組成を変えるべきかどうかを決定して出力する。問題がないことが示されれば（例えば、燃料組成が、燃焼装置の運転のために予め定められた許容範囲内であれば）、ステップ220では、データを保存しシステムは継続してモニターを行うことができる。問題があれば（例えば、燃料組成が燃焼装置の運転のために予め定められた許容範囲外であれば）、ステップ225で燃料組成に対して適切な変化（例えば、適切な添加物の燃料への添加）が決定される。燃料組成への変化は、例えば特定の燃焼システムに対する以前の経験から、安定性指数または基本的な火炎性状の演算から、あるいは他の情報または方法によって決定することができる。ステップ230では、一定量の添加物を燃料流に混合するよう指示する信号が添加物システムに送られる。ステップ235では、燃焼器に供給される燃料がしかるべく（例えばバルブを開くまたは調節することにより）変更される。従って、この例では燃焼器に供給される燃料が添加物の添加により変更され、より安定な火炎を形成する燃焼特性が得られる。これらのステップはフィードバック制御ループを含み、添加物プロセスを最適化するために反復法または他の技術が必要な場合がある。
【００３８】
燃焼性能は、燃料特性（例えば化学組成、密度、および発熱量）を測定し、燃焼器の挙動を推測することにより間接的に決定してもよい。図4は本発明の１実施例による燃焼性能を間接的に決定するシステムの例を示す。
【００３９】
図4に示すように、このシステムは、燃料ライン305、燃料1を燃焼させる燃焼器325、検知システム310、検知システムからの情報を評価および添加すべき燃料添加物の量を決定する、または燃料に添加する添加物の変更を選択するコントローラ315、添加物を保存しこれの燃料ラインへのフローを制御する添加物システム320を含む。
【００４０】
図5は本発明の１実施例による燃焼性能を間接的に決定する方法の例を示す。ステップ405では、検知システムにより燃料特性が決定される。従って、例えば、検知システムは燃料を構成する個々の化学物質を測定するためにFIIR分光器を用いることができる。ステップ410では、コントローラにより燃料特性を解析する。従って、例えば、コントローラは燃料組成を用い、火炎速度、および／またはウォッベ指数または他の安定性指数等の規制量を計算する。ステップ415では、コントローラはこの目標（例えば、予め決められた範囲内に入ること）に対し燃料組成を変えるべきかどうか解析を行い決定して出力する。従って、例えば、燃料組成が変化しつつありこの規制量により火炎安定性の問題が示されると、燃焼の問題が起こる前に組成の変更を行うことができる。規制量の値を変化させる必要がなければ、ステップ420でデータを保存し継続して規制量をモニターすることができる。規制量の値を変化させる必要がある場合には、ステップ425で必要とされる変化が決定される。規制量の値を変更するために燃料組成の変化が必要であり、燃焼特性に必要な変更を行うために希釈物または反応性化学物質の追加が求められる。ステップ430では、燃料組成への適切な変化分が決定される。従って、例えば、火炎安定性および／または汚染物質の排出量を維持するために、燃料組成に対する必要な調整分が決定される。ステップ435では、信号が添加物システム320に送られて燃料流に混合される希釈物または反応性化学物質の量を制御し、必要な組成が得られ、従って規制量の値が得られる。ステップ440では、燃焼器に供給される燃料がしかるべく変更され、従って火炎の安定性特性が向上し、燃焼器内の圧力動揺が最小化される。
【００４１】
応用例と生成した情報の他の用途
上に説明したように、本発明の実施例は（予混合式および非予混合式の燃焼器の）燃焼システムを安定化させ、これにより燃料組成や燃焼性状の時間変化の影響を補正するために用いることができる。さらに、供給される燃料組成の測定は有用である。例えば、排出物の予測（例えば、燃料の化学組成の測定結果に基づき排出物のレベルの予測）、安定性リスク評価（例えば、測定された化学組成による吹き消えまたはフラッシュバック）、記録の保存等に使用可能であり、これらを用いて燃焼器異常の原因の決定にも役立ち得る。他には、組成および／または火炎速度情報を用いて燃焼器の安定性低下リスクの連続的な評価を実施する用途がある。さらに、燃料組成の情報は、燃焼装置の運転パラメータに基づいて燃焼装置のNOx排出量の推定強化に使用することができる。１実施例は、１つの供給源の燃料を使う多数の燃焼装置に対して個々の燃焼装置のモニターを必要とせずに供給される燃料組成を調整可能とする目的で、代理燃焼器またはバーナーに用いることができる。他の実施例では、個々の燃焼装置に送られる燃料をカスタマイズすることにより、それぞれの燃焼装置の制御用に用いることができる。上に記載した用途は単なる例であり、その他多数の用途に使い得ることは当業者にとって自明のことである。
【００４２】
本発明は前述の実施例の観点で説明を行っているが、これは便宜上の目的のみであり、本発明の用途を制限することを意図したものではない。実際に当業者にとっては、本発明の説明によって本発明を他の実施例に実施する方法は自明である。
【００４３】
さらに、上に記載した図面では本発明の機能と利点を強調してあるが、これらの図面は例示のみを目的として提示してある。本発明のアーキテクチャは十分に柔軟で構成変更が可能であり、前記図面で示した用途以外にも使用可能である。
【００４４】
さらに、本開示の要約書は、米国特許商標局および一般公衆、特に特許または法律用語や表現に精通していない当分野を専門とする科学者、技術者および実務者が簡単な閲覧だけで本出願で開示されている技術の性質と本質を直ちに把握できることを目的としている。本開示の要約書は本発明の範囲について、いかなる限定をも意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の実施例による燃焼装置の燃料供給用制御システムの代表例で使われる様々なコンピュータシステムの部品を表すブロック線図である。
【図２】図２は、本発明の実施例による燃焼性能を直接決定するシステム例を図示したものである。
【図３】図３は、本発明の実施例による燃焼性能を直接決定する方法例を図示したものである。
【図４】図４は、本発明の実施例による燃焼性能を関節的に決定するシステム例を図示したものである。
【図５】図５は、本発明の実施例による燃焼性能を関節的に決定する方法例を図示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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