(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１４）を備えるガスタービンエンジンと、
燃料混合システム（５０）と、
を備え、
前記燃料混合システム（５０）が、
第１の燃料を供給するように構成された第１の燃料供給部と、
第２の燃料を供給するように構成された第２の燃料供給部と、
前記第１の燃料と前記第２の燃料を混合して第１の燃料混合物を生成するように構成された第１の燃料回路（９０）と、
前記第１の燃料と前記第２の燃料を混合して第２の燃料混合物を生成するように構成された第２の燃料回路（９２）と、
測定された前記第１の燃料の組成に基づいて、前記第１の燃料混合物の混合および前記第２の燃料混合物の混合を調整するように構成された制御器（８０）と、
を備え、
前記制御器（８０）が、前記第１の燃料内の窒素、二酸化炭素、硫化水素、または酸素濃度の前記燃焼器（１４）における作動限界値に基づいて、前記第１の燃料混合物および前記第２の燃料混合物の混合を調整するように構成される、
システム。
【請求項２】
前記第１の燃料がプロセスガスを含み、前記第２の燃料ガスが天然ガスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プロセスガスが、コークス炉ガス、高炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガスを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御器（８０）が、測定された前記第２の燃料の組成に基づいて、前記第１の燃料混合物および前記第２の燃料混合物の混合を調整するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の燃料混合物が、前記第１および第２の燃料の第１の混合比を有し、前記第２の燃料混合物が、前記第１および第２の燃料の第２の混合比を有し、前記第１および第２の混合比が異なる、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記燃料混合システム（５０）が、前記第１の燃料の組成を測定するように構成されたセンサ（８６）を備える、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料混合システムが、前記第１の燃料混合物および前記第２の燃料混合物の所望の混合比を記憶するように構成されたメモリ（８２）を備える、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の燃料回路（９０）が、前記第１の燃料混合物を前記燃焼器（１４）の一次燃料ノズル（２０）へ供給するように構成され、前記第２の燃料回路が、前記第２の燃料混合物を前記燃焼器（１４）の二次燃料ノズル（２２）へ供給するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記ガスタービンエンジンが、予混合運転モード、一次運転モード、二次運転モード、全力負荷運転モード、部分負荷運転モード、またはこれらが組み合わされた運転モードに設定される、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
第１の燃料と第２の燃料の第１の燃料混合物をタービン燃焼器（１４）の一次燃料ノズル（２０）へ供給するように構成された第１の燃料回路（９０）と、
前記第１の燃料と前記第２の燃料の第２の燃料混合物を前記タービン燃焼器（１４）の二次燃料ノズル（２２）へ供給するように構成された第２の燃料回路（９２）と、
測定された前記第１の燃料の成分組成に基づいて、前記第１の燃料混合物の第１の混合比、および前記第２の燃料混合物の第２の混合比を調整するように構成された制御器（８０）と、
を備え、
前記制御器（８０）が、前記第１の燃料内の窒素、二酸化炭素、硫化水素、または酸素濃度の前記タービン燃焼器（１４）における作動限界値に基づいて、前記第１の燃料混合物および前記第２の燃料混合物の混合を調整するように構成される、
燃料混合システム（５０）
を備えるシステム。
【請求項１１】
前記第１の燃料がプロセスガスを含み、前記第２の燃料が天然ガスを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記プロセスガスが、コークス炉ガス、高炉ガス、またはこれらが組み合わされたガスを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の混合比と前記第２の混合比が異なる、請求項１０から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記燃料混合システム（５０）が、前記第１の燃料の成分組成を測定するように構成された少なくとも１つのセンサ（８６）を備える、請求項１０から１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記タービン燃焼器（１４）が、予混合運転モード、一次運転モード、二次運転モード、全力負荷運転モード、部分負荷運転モード、またはこれらが組み合わされた運転モードに設定される、請求項１０から１４のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステムの燃料を混合するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは典型的には、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有する少なくとも１つのガスタービンエンジンを含む。燃焼器は、燃料ガスを受け入れる燃料ノズルを備える１つまたは複数の燃焼システムを有する場合がある。特定の燃料ガスは、ガスタービンシステムなどの燃焼で駆動される機器の燃料源として使用するにはそれ自体では適切でない場合がある。例えば、特定の燃料ガスは、大量に入手しにくい場合がある、または使用するのにより費用がかかる場合がある。さらなる例では、特定の燃料ガスは豊富にあるにもかかわらず、ガスタービンシステム内で効率的に作動させるために適した化学成分をそれ自体では有していない場合がある。さらに、特定の燃料ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）などの望ましくない排気排出物となる場合がある。排出レベルが、ガスタービンシステムに対する最低限の排出適合レベルなど閾値を超える場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２３４１２３２号公報
【発明の概要】
【０００４】
本来、特許請求される発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の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、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は、下記に説明する実施形態と同様のもの、または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】
第１の実施形態では、システムは、燃焼器を有するガスタービンエンジンと、燃料混合システムとを含む。燃料混合システムはさらに、第１の燃料を供給するように構成された第１の燃料供給部と、第２の燃料を供給するように構成された第２の燃料供給部と、第１の燃料回路と、第２の燃料回路と、制御器とを備える。第１の燃料回路は、第１の燃料と第２の燃料を混合して第１の燃料混合物を形成するように構成することができる。第２の燃料回路は、第１の燃料と第２の燃料を混合して第２の燃料混合物を形成するように構成することができる。制御器は、測定された第１の燃料の組成に基づいて、第１の燃料混合物および第２の燃料混合物の混合を調整するように構成することができる。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、第１の燃料回路と、第２の燃料回路と、制御器とを有する燃料混合システムを含む。第１の燃料回路は、第１の燃料と第２の燃料の第１の燃料混合物をタービン燃焼器の一次燃料ノズルへ供給するように構成することができる。第２の燃料回路は、第１の燃料と第２の燃料の第２の燃料混合物をタービン燃焼器の二次燃料ノズルへ供給するように構成することができる。制御器は、測定された第１の燃料の成分組成に基づいて、第１の燃料混合物の第１の混合比、および第２の燃料混合物の第２の混合比を調整するように構成することができる。
【０００７】
第３の実施形態では、方法は、第１の燃料の成分組成を測定するステップを含む。方法はさらに、第１の燃料を第２の燃料と混合して、第１の燃料の成分組成に基づいて第１の混合比を有する第１の燃料混合物を形成するステップを含む。方法はさらに、第１の燃料を第２の燃料と混合して、第１の燃料の成分組成に基づいて第２の混合比を有する第２の燃料混合物を形成するステップであって、第１および第２の混合比が異なる、ステップを含む。
【０００８】
本発明のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧縮機、複数の燃焼器、タービン、および複数の燃料ノズルを有するガスタービンシステムの実施形態の概略図である。
【図２】燃料混合システムから燃料ガスを受け入れるように構成された、図１に示したタービン燃焼器の１つの実施形態の断面側面図である。
【図３】混合スキッド、プロセスガス供給部、天然ガス供給部、および制御器を含む、図２の燃料混合システムの実施形態の概略図である。
【図４】燃料混合システムが第１の燃料と第２の燃料を混合することができる方法の実施形態を示す流れ図である。
【図５】燃料混合システムが燃焼器の動作パラメータに基づいて燃料の混合を修正することができる方法の実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様の特徴すべてを本明細書で説明しない場合がある。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わる場合がある開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、要素の１つまたは複数があることを意味することが意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。
【００１２】
開示する実施形態は、第１の燃料源と第２の燃料源を受け入れて、かつ混合して燃料混合物を形成することができる燃料混合システムを対象とする。燃料混合システムは、次いで、燃料混合物を、ガスタービンシステムの燃焼器などの燃焼で駆動される機器の燃料ノズルへ移送することができる。特定の実施形態では、燃料混合システムは、天然ガスと１つまたは複数のプロセスガス（例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、あるいは精製または化学プロセスの結果として発生する任意の合成ガス）を受け入れて、かつ混合して燃料混合物を形成することができる。具体的には、燃料混合システムは、測定された第１の燃料源の組成（例えば、測定されたプロセスガスの組成）に基づいて、天然ガスとプロセスガスを混合するように構成することができる。したがって、特定の燃料源の使用を最適に、または最大限にするように混合を調整することができる。例えば、燃料混合システムは、天然ガスとプロセスガスの燃料混合物を発生させる、または生成させるとき、プロセスガスの量が最適または最大になるように、燃料混合物の混合を制御することができる。
【００１３】
さらに他の実施形態では、燃料混合システムは、燃料混合物をガスタービンシステムの燃焼器へ移送した後、燃焼器の燃焼力学を監視することができる。例えば、火炎強度、圧力、温度、振動、または燃焼した燃料混合物の化学組成などの燃焼器の特定の動作パラメータを測定することができる。さらなる例では、監視される動作パラメータは、圧力、温度、火炎強度、および／または化学組成の脈動または変動などの変化を含むことができる、または同定することができる。燃料混合システムはさらに、１つまたは複数の測定された動作パラメータに基づいて燃料混合物を混合するように構成することができ、したがって、燃料源をより効率的および効果的に使用することができる。例えば、燃焼動作を続けさせるために、追加の燃料をある特定の量だけ、燃焼器へ移送するように混合を調整することができる。これに加えて、燃焼器の１つまたは複数の動作パラメータがシステムの燃焼限界内に留まるように、混合をフィードバック制御ループで調節することができる。燃料混合システムはまた、燃料混合物を生成するために特定の燃料の特定の量を使用するように、燃料混合物の混合を制御することができる。すなわち、上記のように、燃焼器からのフィードバック（例えば、測定された動作パラメータ）に少なくとも部分的に基づいて、燃料混合物を発生させるのに使用される特定の燃料（例えば、プロセスガス）の量を最大化する、または最適化することができる。さらに、燃料混合システムは、燃焼器の排出（ＮＯｘ排出、ＳＯｘ排出、ＣＯ排出、および／またはＣＯ2排出など）を所望の低いレベルにすることができる特定の燃料の混合を提供することができる。
【００１４】
次に、図を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を示す。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、タービン燃焼器１４、およびタービン１６を含む。タービン燃焼器１４は、液体燃料、気体燃料（例えば、天然ガス）、および／または混合燃料（例えば、天然ガスとプロセスガスの混合物）をタービン燃焼器１４内へ送る燃料ノズル１８を含む。例えば、プロセスガスには、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガスが含まれる場合がある。図示のように、各タービン燃焼器１４は複数の燃料ノズル１８を有する場合がある。より詳細には、タービン燃焼器１４はそれぞれ、一次燃料ノズル２０および二次燃料ノズル２２を含む場合がある。下記で詳細に考察するように、一次燃料ノズル２０および二次燃料ノズル２２は、タービン燃焼器１４内で使用するための燃料を受け入れる。タービン燃焼器１４は、酸化剤−燃料混合物（例えば、空気−燃料混合物）を点火、燃焼させ、次いで、その結果生じた高温の加圧燃焼ガス２４（例えば、排気）をタービン１６内へ送る。タービン１６内のタービンブレードはガスタービンシステム１０の軸２６に連結され、軸２６もまた、タービンシステム１０全体のいくつかの他の構成部品に連結することができる。燃焼ガス２４がタービン１６のタービンブレードに当たって、またはタービンブレードの間を流れると、タービン１６は駆動されて回転し、それによって軸２６が回転する。最後に、燃焼ガス２４は、排気出口２８を経由してタービンシステム１０を出る。さらに、図示の実施形態では、軸２６は負荷３０に連結され、負荷３０は軸２６の回転によって動力を与えられる。負荷３０は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を発生する、発電機、航空機のプロペラ、または他の負荷などの任意の適切な装置とすることができる。
【００１５】
ガスタービンシステム１０の圧縮機１２は圧縮機ブレードを含む。圧縮機１２内の圧縮機ブレードは軸２６に連結され、上記のように軸２６がタービン１６によって駆動されて回転すると、回転する。圧縮機ブレードが圧縮機１２内で回転すると、圧縮機１２は、吸気口３２から受け入れた空気（または任意の適切な酸化剤）を圧縮して加圧空気３４を生成する。次いで、加圧空気３４は燃焼器１４の燃料ノズル１８内へ送られる。上記のように、燃料ノズル１８は、加圧空気３４と燃料を混合して、例えば燃料をより完全に燃焼させるような、燃焼に適した混合比にして、燃料を無駄にしない、または過度な排出を生じないようにする。以下の考察では、燃焼器１４の軸方向または軸４２（例えば、長手方向軸）、燃焼器１４の半径方向または軸４４、および燃焼器１４の周方向または軸４６を参照する場合がある。
【００１６】
図２は、図１のガスタービンシステム１０の燃焼器１４のうちの１つの燃焼器の実施形態の断面側面図であり、燃焼器１４は燃料混合システム５０（例えば、多燃料供給システム）から燃料を受け入れるように構成される。上記のように、燃焼器１４は、圧縮機１２およびタービン１６に動作可能に結合される。詳細には、燃焼器１４は、圧縮機１２からの加圧空気３４を、燃料混合システム５０からの燃料とともに燃焼させ、その結果生じた燃焼ガス２４をタービン１６内へ向ける。図示の実施形態では、燃焼器１４は、一次燃焼領域５２、および一次燃焼領域５２から下流の二次燃焼領域５４を含む。他の実施形態では、燃焼器１４は、一次燃焼領域５２のみを有する場合もあれば、複数の燃焼領域（例えば、２つ、３つ、４つ、または５つ以上の燃焼領域）を有する場合もある。燃料ノズル１８は、液体燃料、気体燃料、および／または混合燃料を、燃料混合システム５０から一次および二次燃焼領域５２および５４の中へ送る。例えば、燃料は、天然ガス、プロセスガス、および／または天然ガスとプロセスガスの混合物とすることができる。例えば、プロセスガスには、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する任意の合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガスが含まれる場合がある。特定の実施形態では、燃料混合システム５０は、異なる種類の燃料、または異なる燃料混合物を燃焼器１４の異なる燃料ノズル１８へ送るように構成することができる。例えば、１つの実施形態では、燃料混合システム５０は、第１の燃料混合物（例えば、第１の燃料組成を有する）を一次燃料ノズル２０へ供給することができ、一次燃料ノズル２０は、第１の燃料混合物を一次燃焼領域５２へ送るように構成される。同時に、燃料混合システム５０はまた、第２の燃料混合物（例えば、第１の燃料混合物の第１の燃料組成とは異なる第２の燃料組成を有する）を二次燃料ノズル２２へ供給することができ、二次燃料ノズル２２は、第２の燃料混合物を二次燃焼領域５４へ送るように構成される。例えば、第１および第２の燃料混合物はそれぞれ天然ガスとプロセスガスの混合物とすることができるが、第１および第２の燃料混合物のプロセスガスに対する天然ガスの混合比は異なる。このように、燃焼器１４の各燃焼領域（例えば、一次および二次燃焼領域５２および５４）は、燃料混合システム５０から異なるまたは単一の燃料混合物を受け入れることができる。
【００１７】
図示の実施形態では、燃焼器１４は、圧縮機１２から加圧空気を受け入れるように構成された環状部５６を有する。圧縮機１２から環状部５６によって受け入れられた加圧空気は、矢印６０で示されるように、タービン燃焼器のヘッド端５８の方へ向けられる。特定の実施形態では、燃焼器１４の環状部５６は、ライナ６２（例えば、内壁）、およびライナ６２を取り囲む（例えば、同軸に、または同心に）フロースリーブ６４（例えば、外壁）によって画定することができる。タービン燃焼器１４のヘッド端５８は、一次燃料ノズル２０を少なくとも部分的に支持することができる、カバープレート６５およびエンドプレート６６を有することができる。特定の実施形態では、一次燃料ノズル２０は、燃料混合システム５０によって受け入れられた燃料を圧縮機１２からの加圧空気と混ぜ合わせて、空気／燃料混合物を生成することができる。次いで、空気／燃料混合物は一次燃焼領域５２で燃焼させられて、燃焼ガス６８を生成する。図示の実施形態では、燃料は単一の燃料混合システム５０によって一次燃料ノズル２０に供給されているように示されているが、燃焼器１４の他の実施形態では、複数の燃料供給部および／または複数の燃料混合システム５０を含むことができる。さらに、複数の燃料供給部および／または複数の燃料混合システム５０を有する実施形態では、燃料供給部は、同じ燃料の種類、または異なる燃料の種類を一次燃料ノズル２０へ供給することができる。
【００１８】
一次燃焼領域５２内に生成された燃焼ガス６８は、燃焼器１４のヘッド端５８から下流方向に燃焼器１４の尾端７０（例えば、尾筒６９の下流端）へ流れる。上記のように、特定の実施形態では、燃焼器１４は、二次燃料ノズル２２とともに二次燃焼領域５４を含むことができる。二次燃料ノズル２２は、矢印７１で示すように、二次燃焼領域５４で燃焼させるために追加の燃料を燃焼ガス６８の流れの中へ噴射することができる。二次燃料噴射器７１は、ヘッド端５８に向かって上流方向に角度をつける、尾端７０に向かって下流方向に角度をつける、またはガス６８の流れを概ね横切るように（例えば、垂直に）角度をつけることができる。特定の実施形態では、二次燃料ノズル２２は、燃料混合システム５０によって受け入れられた燃料を環状部５６からの加圧空気（すなわち、矢印６０で示す、圧縮機１２によって供給される加圧空気）と混ぜ合わせて、空気／燃料混合物を生成する。この空気／燃料混合物は二次燃焼領域５４内に噴射７１されて燃焼し、追加の燃焼ガス６８を生成することができる。他の実施形態では、二次燃料ノズル２２は、二次燃焼領域５４内で燃焼させるために、燃料と空気を別々に燃焼生成物６８の流れの中に噴射する。図示の実施形態では、燃料は単一の燃料混合システム５０によって二次燃料ノズル２２に供給されているように示されているが、燃焼器１４の他の実施形態では、複数の燃料供給部および／または複数の燃料混合システム５０を含むことができる。複数の燃料供給部および／または複数の燃料混合システム５０を有する実施形態では、燃料供給部は、同じ燃料の種類、または異なる燃料の種類を二次燃料ノズル２２へ供給することができる。燃焼ガス６８は、二次燃焼領域５４で燃焼した後、矢印７２で示すように、タービン１６に向かって下流方向へ続けて流れる。
【００１９】
特定の実施形態では、燃料混合システム５０は、混合スキッド７４、プロセスガスを供給するための少なくとも１つのプロセスガス供給部７６、天然ガスを供給するための天然ガス供給部７８、ならびにプロセッサ８１およびメモリ８２を有する制御器８０を含むことができる。プロセスガス供給部７６は、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガスなどの任意の種類のプロセスガスとすることができる。したがって、プロセスガス供給部７６は、第１のプロセスガス供給部（例えば、コークス炉ガス供給部）、第２のプロセスガス供給部（例えば、高炉ガス供給部）、第３のプロセスガス供給部、または任意の他のいくつかのプロセスガス供給部を含むことができる。混合スキッド７４は、プロセスガス供給部７６（例えば、コークス炉ガス、高炉ガス、またはこれら２つが組み合わされたガス）と天然ガス供給部７８の混合を調整する。特定の実施形態では、燃料混合システム５０の制御器８０は、プロセスガス供給部７６と天然ガス供給部７８の混合を調整することによって、混合スキッド７４の動作を制御することができる。
【００２０】
１つの実施形態では、制御器８０は、測定されたプロセスガス供給部７６の組成に基づいて、混合を調整することができる。例えば、制御器８０はプロセスガス供給部７６の化学組成を決定し、窒素、二酸化炭素、硫化水素、酸素などのプロセスガス供給部７６の成分の濃度を測定することができる。制御器８０は、測定された組成成分の濃度に基づいて、天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）とプロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）の混合を調節して、様々な成分の濃度を、燃焼器１４の所望の作動限界内に維持または調整することができる。別の実施形態では、制御器８０は、測定された天然ガス供給部７８の組成に基づいて混合を調整することができる。例えば、制御器８０は天然ガス供給部７８の化学組成を決定し、窒素、二酸化炭素、硫化水素、酸素などの天然ガス供給部７８の成分の濃度を測定することができる。制御器８０は、測定された組成成分の濃度に基づいて、天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）とプロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）の混合を調節して、様々な成分の濃度を、燃焼器１４の所望の作動限界内に維持または調整することができる。
【００２１】
さらに、制御器８０は、操作ユーザの入力によって設定され、制御器８０のメモリ８２に記憶することができるパラメータに基づいて混合を調整することができる。メモリ８２はさらに、燃焼器１４の動作パラメータなどの他の測定された値、または測定された燃料ガス成分（例えば、天然ガスまたはプロセスガスの成分）の濃度を記憶するために使用することができる。さらに別の実施形態では、制御器８０は、天然ガス供給部７８、プロセスガス供給部７６の測定された組成に基づいて、または天然ガス供給部７８およびプロセスガス供給部７６の両方（すなわち、天然ガス供給部７８とプロセスガス供給部７６の混合物）の測定された組成に基づいて混合を調整するように構成することができる。例えば、制御器８０は、窒素、二酸化炭素、硫化水素、酸素などの天然ガス供給部７８の成分の濃度を測定することができる。
【００２２】
他の実施形態では、燃料混合システム５０の制御器８０は、燃焼器１４の動作フィードバックに基づいて、混合スキッド７４の動作を制御することができる。例えば、動作フィードバックは、燃焼器１４の一次および／または二次燃焼領域５２および５４、または燃料ノズル１８（例えば、一次および二次燃料ノズル２０および２２）などの燃焼器１４の他の領域、排気部２８、タービン１６、あるいはこれらが任意に組み合わされた領域で測定されたパラメータとすることができる。すなわち、燃焼器１４の動作力学は、様々な燃焼力学パラメータで定量化され、複数のセンサ８４で得ることができる。
【００２３】
センサ８４は、例えば、火炎検出器または音響プローブなどの任意の適切な種類のセンサとすることができ、センサ８４は一次および／または二次燃焼領域５２および５４に配置することができる。火炎検出器は、燃焼器１４内の火炎の火炎強度などの燃焼力学パラメータを測定するように構成することができ、一方、音響プローブは燃焼器１４の音の周波数または振幅を測定するように構成することができる。センサ８４はまた、例えば、光学センサ、機械センサ、圧力センサ、温度センサ、振動センサ、または電気センサなどの他の種類のセンサとすることができ、これらは、温度、圧力などの他の有用な燃焼力学動作パラメータを測定するように構成することができる。例えば、センサのフィードバックは、圧力、温度、火炎強度、光度、騒音、排出レベル、またはこれらが任意に組み合わされたものの脈動または変動を同定するために使用することができる。センサ８４は燃焼器１４の動作パラメータの測定データを制御器８０に送ることができ、制御器８０は、次いで、測定データを使用して、混合スキッド７４および燃料混合システム５０の運転をさらに調整することができる。
【００２４】
制御器８０のメモリ８２はさらに、測定された燃焼器１４の動作パラメータを記憶することができる。このように、制御器８０は、一次および／または二次燃焼領域５２および５４、あるいは燃焼器１４の他の領域からの燃焼器１４の動作フィードバックに基づいて、燃料混合物内のプロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の比を調節することができるフィードバック制御ループを調整することができる。
【００２５】
図３は、図２の燃料混合システム５０の実施形態の概略図である。ここで、燃料混合システム５０は、混合スキッド７４、プロセスガス供給部７６、天然ガス供給部７８、および制御器８０を含む。図２で考察したように、制御器８０は、混合スキッド７４がプロセスガス供給部７６（例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガス）と天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の混合を調整するように、混合スキッド７４の動作を制御することができる。制御器８０は、測定されたプロセスガス供給部７６の成分組成に基づいて、混合スキッド７４の動作を調整することができる。他の実施形態では、制御器８０は、天然ガス供給部７８、プロセスガス供給部７６の測定された成分組成に基づいて、またはプロセスガス供給部７６および天然ガス供給部７８の両方（すなわち、プロセスガス供給部７６と天然ガス供給部７８の混合物）の測定された組成に基づいて、混合スキッド７４の動作を調整することができる。窒素、二酸化炭素、硫化水素、または酸素などのガス供給部７６および７８の成分は、センサ８６で測定することができ、測定データは、制御器８０のプロセッサ８１および／またはメモリ８２、または制御器８０の別の構成部品へ送ることができる。
【００２６】
制御器８０はまた、燃焼器１４の動作フィードバック８８（例えば、一次および／または二次燃焼領域５２および５４からのフィードバック）に基づいて、混合スキッド７４の動作を調整することができる。例えば、燃焼器１４の動作フィードバック８８には、例えば、火炎強度、音の周波数または振幅、温度、圧力などの様々な燃焼力学パラメータの測定データが含まれる場合がある。同定することができる他の燃焼力学パラメータには、圧力、温度、火炎強度、光度、騒音、排出レベル、またはこれらが任意に組み合わされたものの脈動または変動が含まれる。燃焼力学パラメータは、一次および／または二次燃焼領域５２および５４、あるいは燃焼器１４の他の領域の中の燃焼力学を評価し、それは燃焼領域５２および５４内で使用される燃料の性質に基づく場合がある。特定の実施形態では、燃焼器１４の動作性もしくは効率を調整するように、および／またはガスタービンシステム１０内の機器の劣化を軽減するように、燃焼力学パラメータを特定の作動限界内に維持することが望ましい場合がある。例えば、窒素、二酸化炭素、硫化水素、酸素など特定の組成の濃度は、燃焼器１４の閾値レベルより下に維持することができる。このため、制御器８０は、燃焼力学パラメータが燃焼器１４の作動限界内に留まるように、フィードバック制御ループを調整または操作して、混合スキッド７４の混合動作を調整するように使用することができる。
【００２７】
図示のように、燃料混合システム５０の混合スキッド７４は、１つまたは複数の燃料回路内で、プロセスガス供給部７６（例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガス）と天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の混合を調整することができる。図示の実施形態では、混合スキッド７４は、第１の燃料回路９０、第２の燃料回路９２、および第３の燃料回路９４を含む。他の実施形態では、混合スキッド７４は、４つ、５つ、６つ、または任意の適切な数の燃料回路を有することができる。各燃料回路は、天然ガス供給部７８とプロセスガス供給部７６の燃料混合物を、燃焼器１４の燃料ノズル１８へ、移送スキッドへ、または別の燃焼器１４へ移送することができる。例えば、第１の燃料回路９０は、第１の燃料混合物を１つまたは複数の一次燃料ノズル２０へ移送することができ、一方、第２の燃料回路９２は、第２の燃料混合物を１つまたは複数の二次燃料ノズル２２へ移送することができる。さらに、燃料混合システム５０は、混合または未混合燃料を移送システム９６（例えば、移送スキッドまたは燃料移送システム）へ供給することができる。例えば、１つの実施形態では、第３の燃料回路９４は、天然ガス供給部７８のみを移送システム９６へ移送することができ、天然ガス供給部７８から移送システム９６への燃料の移送はガス移送弁９８を使用して調整することができる。
【００２８】
さらに、複数の弁によって、混合スキッド７４が、混合スキッド７４の異なる燃料回路に対して、プロセスガス供給部７６からのプロセスガスに対する天然ガス供給部７８からの天然ガスの比を異なる比で混合することができる。特定の実施形態では、制御器８０は、燃焼器１４の動作フィードバック８８からの測定データに基づいて、天然ガス供給部および／もしくはプロセスガス供給部７６および７８の測定された成分組成に基づいて、ならびに／またはユーザの入力に基づいて、弁の動作を制御することができる。第１の燃料回路９０は、プロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の第１の比をもつ第１の燃料混合物を有することができる。第１の燃料混合物は、ガスが、ガス放出弁１００および１０２によってそれぞれ、天然ガス供給部７８およびプロセスガス供給部７６から混合スキッド７４内へ流れることができるときに、形成することができる。図示のように、混合スキッド７４はさらにガス制御弁１０４および１０６を含む。ガス制御弁１０４は第１の燃料回路９０内の天然ガス供給部７８からの天然ガスの流量を調整し、一方、ガス制御弁１０６は第１の燃料回路９０内のプロセスガス供給部７６からのプロセスガスの流量を調整する。ガス制御弁１０４および１０６が共同して、プロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の第１の混合比を生成することができる。同様に、第２の燃料回路９２は、プロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の第２の混合比をもつ第２の燃料混合物を有することができる。第２の燃料混合物は、ガス放出弁１００および１０２が、天然ガス供給部７８から天然ガスを、かつプロセスガス供給部７６からプロセスガスを混合スキッド７４内へ放出するとき形成することができる。その後、ガス制御弁１０８および１１０は、第２の燃料回路９２内で天然ガスとプロセスガスの混合を調整する。より詳細には、ガス制御弁１０８は第２の燃料回路９２内の天然ガス供給部７８からの天然ガスの流量を調整し、一方、ガス制御弁１１０は第２の燃料回路９２内のプロセスガス供給部７６からのプロセスガスの流量を調整する。制御弁１０８および１１０が共同して、プロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の第２の混合比を生成することができる。上記のように、第１の燃料回路９０は、第２の燃料回路９２内の第２の混合比とは異なる第１の混合比を生成することができる。より詳細には、制御器８０は、燃料混合システム５０の各燃料回路に対して異なる混合比で燃料混合物を形成することができる。さらに、燃料混合システム５０の各燃料回路は、燃料混合物を異なる混合比で燃焼器１４の様々な燃料ノズル１８へ移送することができる。
【００２９】
図４は、燃料混合システム５０が第１の燃料（例えば、天然ガス）と第２の燃料（例えば、プロセスガス）を混合することができるプロセス１１２（例えば、コンピュータで実施されるプロセス）の実施形態を示す流れ図である。プロセス１１２は、図１のガスタービンシステム１０のガスタービンモードを設定することによって始まる（ブロック１１４）。特定の実施形態では、ガスタービンシステム１０を、一次燃料ノズル２０および二次燃料ノズル２２の両方に燃料が供給される予混合モードに設定することができる。他の実施例では、一次モード、二次モード、全負荷モード、部分負荷モード、起動モード、定常状態モードなどのガスタービンシステム１０の他の運転モードを使用することができる。ガスタービンシステム１０の各モードでは、第２の燃料に対する第１の燃料の異なる混合比を使用することができ、さらに、燃焼器の各燃料ノズルに対して異なる混合比を与えることができる。例えば、ガスタービンエンジンシステム１０は、第２の燃料に対する第１の燃料の混合比を、定常状態モード、起動モードなどでの混合比とは異なる予混合モードの混合比で混合することができる。
【００３０】
特定の実施形態では、ガスタービンシステム１０があるガスタービンモードに設定された後、制御器８０は、例えば、プロセスガス供給部７６からのプロセスガスなどの第１の燃料の成分組成を測定することができる（ブロック１１６）。上記で詳細に説明したように、制御器８０は、プロセスガス供給部７６（例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガス）からのプロセスガスの測定された成分組成に基づいて、燃料混合システム５０の混合スキッド７４の動作を調整することができる。例えば、センサ８６（図３に示す）は、窒素、二酸化炭素、硫化水素、酸素などのような成分の濃度を測定することによって、プロセスガス供給部７６からのプロセスガスの化学組成を評価することができる。他の実施形態では、制御器８０は、天然ガス供給部７８からの天然ガスの、またはプロセスガス供給部７６および天然ガス供給部７８両方のガスの測定された成分組成に基づいて、混合スキッド７４の動作を調整することができる。
【００３１】
プロセス１１２はさらに、第１の燃料を第２の燃料と混合して、第１の燃料混合物を形成するステップ（ブロック１１８）、および第２の燃料混合物を形成するステップ（ブロック１２０）を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、プロセスガス供給部７６からのプロセスガスは、天然ガス供給部７８からの天然ガスと第１の比で混合されて第１の燃料回路９０内で第１の燃料混合物を形成する（ブロック１１８）。同様に、プロセスガス供給部７６からのプロセスガスは、天然ガス供給部７８からの天然ガスと第２の比で混合されて第２の燃料回路９２内で第２の燃料混合物を形成する（ブロック１２０）。混合スキッド７４の各燃料回路は、プロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の異なる混合比を有することができる。したがって、第１の燃料回路９０の第１の燃料混合物は、第２の燃料回路９２の第２燃料混合物とは異なる混合比を有することができる。他の実施形態では、第１の燃料回路９０の第１の燃料混合物は、第２の燃料回路９２の第２燃料混合物と同じ混合比を有することができる。図示の実施形態では、２つの燃料回路が示されている。各燃料回路は異なる混合比を有する。他の実施形態では、異なる混合比、または同じ混合比を有する３つ、４つ、５つ、または任意の他の数の燃料回路を提供することができる。さらに、センサ８６から受け取ったデータに基づいて、制御器８０は特定の燃料回路内の混合比を調節することができる。例えば、プロセスガス供給部７６内の窒素の濃度が知られている、または測定されている場合、制御器８０は、第１の燃料回路９０内の燃料混合物が燃焼器１４内の特定の動作パラメータ（例えば、燃焼生成物６８内の所望の窒素の量）になるように最適化されたものに混合または調節することができる。
【００３２】
最後に、プロセス１１２は、第１の燃料混合物を第１の燃料ノズルへ移送するステップ（ブロック１２２）、および第２の燃料混合物を第２の燃料ノズルへ移送するステップ（ブロック１２４）を含むことができる。例えば、第１の燃料回路９０は一次燃料ノズル２０の方へ向かうことができ、一方、第２の燃料回路９２は二次燃料ノズル２２の方へ向かうことができる。したがって、燃焼器１４の燃料ノズル１８はそれぞれ、プロセスガス供給部７６に対する天然ガス供給部７８の異なる混合比を受け入れることができる。すなわち、一次燃料ノズル２０は、第１の燃料回路９０からの第１の混合比を有する第１の燃料混合物を受け入れることができ、二次燃料ノズル２２は、第２の燃料回路９２からの第２の燃料比（例えば、第１の燃料比とは異なる）を有する第２の燃料混合物を受け入れることができる。
【００３３】
図５は、燃料混合システム５０が燃焼器１４の動作パラメータに基づいて燃料の混合を修正することができるプロセス１２６の実施形態を示す流れ図である。プロセス１２６は、図１のガスタービンシステム１０のガスタービンモードを設定することによって始まる（ブロック１２８）。特定の実施形態では、ガスタービンシステム１０を、一次燃料ノズル２０および二次燃料ノズル２２の両方に燃料が供給される予混合モードに設定することができる。他の実施例では、一次モード、二次モード、全負荷モード、部分負荷モード、起動モード、定常状態モードなどのガスタービンシステム１０の他の運転モードを使用することができる。ガスタービンシステム１０の各モードでは、第２の燃料に対する第１の燃料の異なる混合比を使用することができ、さらに、燃焼器の各燃料ノズルに対して異なる混合比を与えることができる。例えば、ガスタービンエンジンシステム１０は、第２の燃料に対する第１の燃料の混合比を、定常状態モード、起動モードなどでの混合比とは異なる予混合モードの混合比で混合することができる。
【００３４】
プロセス１２６はさらに、プロセスガスまたは天然ガスなどの第１の燃料の成分組成を測定するステップ（ブロック１３０）、第１の燃料と第２の燃料を第１の比で混合して、第１の燃料混合物を生成するステップ（ブロック１３２）、および第１の燃料と第２の燃料を第２の比で混合して、第２の燃料混合物を生成するステップ（ブロック１３４）を含む。次いで、第１の燃料混合物を、燃焼器１４の第１の燃料ノズル（例えば、一次燃料ノズル２０）へ移送すること（ブロック１３６）ができ、一方、第２の燃料混合物を、燃焼器１４の第２の燃料ノズル（例えば、二次燃料ノズル２２）へ移送すること（ブロック１３８）ができる。図５に示したプロセス１２６のブロック１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、および１３８は、図４に関して図示して説明したプロセス１１２のブロック１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、および１２４と同様とすることができる。
【００３５】
燃料回路の燃料混合物が燃焼器１４の燃料ノズル１８に移送された後で、燃料は、燃料ノズル１８によって、一次および／または二次燃焼領域５２および５４へ送出することができる。上記で詳細に考察したように、燃焼器１４の一次および／または二次領域５２および５４には複数のセンサ８４を装着することができ、燃焼器１４の１つまたは複数の動作パラメータを測定すること（ブロック１４０）ができる。センサ８４は、様々な燃焼力学パラメータに関する測定値を取得することによって、燃焼器１４の動作および／または燃焼力学についての情報を提供することができる。例えば、図２に関して上で説明したように、燃焼力学パラメータには、燃焼器１４の音の周波数または振幅、火炎強度、温度、圧力、燃料源または燃焼生成物の様々な成分の濃度などが含まれる。センサ８４は、例えば、火炎検出器または音響プローブなどの任意の適切な種類のセンサとすることができる。センサ８４にはまた、例えば、光学センサ、機械センサ、または電気センサなどの他の種類のセンサも含まれる。センサ８４は、測定された燃焼器１４の動作パラメータデータを燃焼器の動作フィードバック８８として送ることができる。上記に考察したように、燃焼器の動作フィードバック８８は、制御器８０に伝送される。制御器８０のメモリ８２はさらに、測定された燃焼器１４の動作パラメータおよびデータを記憶することができる。
【００３６】
制御器８０は、燃焼器１４の動作パラメータデータに基づいて、混合スキッド７４の燃料の混合を修正するように構成することができる（ブロック１４２）。このように、制御器８０は、一次および／または二次燃焼領域５２および５４、あるいは燃焼器１４の他の領域からの燃焼器１４の動作フィードバックに基づいて、混合スキッド７４の燃料回路内のプロセスガス供給部７６（例えば、プロセスガス）に対する天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）の混合比の調節を可能にすることができるフィードバック制御ループを調整することができる。例えば、第１の燃料回路９０内の窒素の濃度が、燃焼器の１４の所望の、または目標の動作パラメータから外れており、プロセスガス供給部７６内の窒素の濃度が知られている、または測定されている場合、制御器８０は、その後の混合における混合比を所望の動作パラメータ内に入るように調節することができる。特定の実施形態では、制御器８０は、リアルタイムデータの流れに対する燃焼器１４の燃焼力学を連続的に監視することができる。さらに、リアルタイムデータ、またはフィードバックの流れは、第１および／または第２の燃料回路９０および９２内の燃料混合物の混合比を連続的に、または定期的に調節するために、制御器８０によって使用することができる。
【００３７】
本発明の技術的効果には、ガスタービンシステム１０内の燃焼で駆動される動作のための、プロセスガス供給部７６（例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、製油所煙道ガス、精製または化学プロセスの結果として発生する合成ガス、あるいはこれらが組み合わされたガス）を天然ガス供給部７８（例えば、天然ガス）と混合する融通性のある燃料混合システム５０が含まれる。燃料混合システム５０は、第１の燃料回路９０および第２の燃料回路９２などの複数の燃料回路を有することができ、各燃料回路は、プロセスガス供給部７６に対する天然ガス供給部７８の異なる混合比を独立して有することができる。さらに、第１および第２の燃料回路９０および９２はそれぞれ、異なる燃料ノズル（例えば、一次燃料ノズル２０および二次燃料ノズル２２）へ燃料混合物を供給することができる。さらに、制御器８０は燃料混合システム５０の動作を監視することができ、測定されたプロセスガス供給部７６の組成、測定された天然ガス供給部７８の組成に基づいて、および／または燃焼器１４の様々な動作パラメータのリアルタイム監視に基づいて、燃料の混合を調整することができる。制御器８０はさらに、例えば、所望のまたは最適な燃焼力学、排出、プロセスガスの消費、およびガスタービンシステム１０への危険、摩耗、または劣化を低減して維持することなど、燃焼器１４に対して所望の動作パラメータになるように混合を調整することができる。
【００３８】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、さらに、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。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定義され、当業者が想到する他の例も含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  燃料ノズル
２０  一次燃料ノズル
２２  二次燃料ノズル
２４  燃焼ガス
２６  軸
２８  排気出口
３０  負荷
３２  吸気口
３４  加圧空気
４２  軸方向
４４  半径方向
４６  周方向
５０  燃料混合システム
５２  一次燃焼領域
５４  二次燃焼領域
５６  環状部
５８  ヘッド端
６０  加圧空気の流れ方向
６２  ライナ
６４  フロースリーブ
６５  カバープレート
６６  エンドプレート
６８  燃焼ガス、燃焼生成物
６９  尾筒
７０  尾端
７２  燃焼ガスの流れ方向
７４  混合スキッド
７６  プロセスガス供給部
７８  天然ガス供給部
８０  制御器
８１  プロセッサ
８２  メモリ
８４  センサ
８６  センサ
８８  燃焼器の動作フィードバック
９０  第１の燃料回路
９２  第２の燃料回路
９４  第３の燃料回路
９６  移送システム
９８  ガス移送弁
１００  ガス放出弁
１０２  ガス放出弁
１０４  ガス制御弁
１０６  ガス制御弁
１０８  ガス制御弁
１１０  ガス制御弁
１１２  プロセス
１１４  ブロック：ガスタービンモードを設定する
１１６  ブロック：第１の燃料の成分組成を測定する
１１８  ブロック：第１の燃料を第２の燃料と混合して第１の燃料混合物を形成する
１２０  ブロック：第１の燃料を第２の燃料と混合して第２の燃料混合物を形成する
１２２  ブロック：第１の燃料混合物を第１の燃料ノズルへ移送する
１２４  ブロック：第２の燃料混合物を第２の燃料ノズルへ移送する
１２６  プロセス
１２８  ブロック：ガスタービンモードを設定する
１３０  ブロック：第１の燃料の成分組成を測定する
１３２  ブロック：第１の燃料を第２の燃料と混合して第１の燃料混合物を形成する
１３４  ブロック：第１の燃料を第２の燃料と混合して第２の燃料混合物を形成する
１３６  ブロック：第１の燃料混合物を第１の燃料ノズルへ移送する
１３８  ブロック：第２の燃料混合物を第２の燃料ノズルへ移送する
１４０  ブロック：燃焼器の動作パラメータを測定する
１４２  ブロック：燃焼器の動作パラメータに基づいて燃料の混合を修正する
【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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