(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの第１予燃焼器と少なくとも一つの触媒モジュールとを中に有する燃焼器の内部で触媒燃焼プロセスを制御する方法であって、
前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を計算し、
前記燃焼器内で燃焼される燃料流量をモニタし、
前記燃焼器へ導入される空気の温度をモニタし、
前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて、前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算し、そして、
前記入口温度設定値と、前記空気質量流量と、前記燃焼器へ導入される空気の前記温度とに基づいて、前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して前記燃焼器へ導入される空気を加熱する、
各ステップを含む方法。
【請求項２】
前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を計算するステップは、
前記燃焼器へ導入される空気の圧力をモニタし、
前記予燃焼器全体の圧力損失を計算し、そして、
前記燃焼器へ導入される空気の前記温度と、前記燃焼器へ導入される空気の圧力と、前記予燃焼器全体の前記圧力損失との関数として、前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を計算する、
各ステップを含む請求項１の方法。
【請求項３】
前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を計算するステップは、
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタし、
前記少なくとも一つの第１予燃焼器への全燃料流量をモニタし、そして、
前記燃焼器へ導入される空気の前記温度と、前記触媒モジュールへ入る空気の前記温度と、前記少なくとも一つの第１予燃焼器への全燃料流量との関数として、前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を計算する、
各ステップを含む請求項１の方法。
【請求項４】
前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算するステップは、
前記空気質量流量と燃焼される前記燃料流量とに基づいて前記触媒モジュール全体の温度上昇を計算し、そして、
前記触媒全体の前記温度上昇に基づいて前記入口温度設定値を計算する、
各ステップを含む請求項１の方法。
【請求項５】
前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算するステップは更に、
閉ループフィードバックを提供するため、前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタし、そして、
前記触媒モジュールへ入る空気の前記モニタされた温度に応じて前記温度上昇を調節する、
各ステップを含む請求項４の方法。
【請求項６】
前記燃焼器内で燃焼される燃料流量をモニタする前記ステップは、燃料計量メインバルブを制御する燃料流量デマンド信号をモニタするステップを含む、
請求項１の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して前記燃焼器へ導入される空気を加熱する前記ステップは、
少なくとも一つの第１予燃焼器の燃料計量バルブへの少なくとも一つの第１予燃焼器の燃料デマンド信号を発生し、
閉ループフィードバックを提供するため、前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタし、そして、
前記触媒モジュールへ入る空気の前記モニタされた温度に応じて前記第１予燃焼器の燃料デマンド信号を調節する、
各ステップを含む請求項１の方法。
【請求項８】
前記燃焼器は第２予燃焼器を包含し、更に、前記第２予燃焼器を制御するための第２燃料デマンド信号を発生して前記計算された空気質量流量に基づき前記第２予燃焼器を制御するステップを含む、請求項１の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して前記燃焼器へ導入される空気を加熱する前記ステップは、
前記第２予燃焼器の燃料計量バルブへの前記第２予燃焼器の燃料デマンド信号をモニタし、そして、
前記モニタされた第２燃料デマンド信号に応じて前記第１予燃焼器の燃料デマンド信号を調節する、
各ステップを含む請求項８の方法。
【請求項１０】
少なくとも一つの第１予燃焼器と少なくとも一つの触媒モジュールとを中に有してコンプレッサから空気を供給される燃焼器の内部で触媒燃焼プロセスを制御する方法であって、
前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を予測し、
前記燃焼器内で燃焼される燃料流量をモニタし、
前記燃焼器へ導入される空気の温度をモニタし、
前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて、前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算し、そして、
前記入口温度設定値と、前記空気質量流量と、前記燃焼器へ導入される空気の温度とに基づいて、前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して前記燃焼器へ導入される空気を加熱する、
各ステップを含む方法。
【請求項１１】
前記燃焼器へ導入される空気の質量流量を予測するステップは、
前記コンプレッサの回転数をモニタし、
周囲空気温度をモニタし、そして、
前記周囲空気温度と、周囲空気圧と、前記コンプレッサの回転数との関数として、前記燃焼器へ導入される空気の前記質量流量を予測する、
各ステップを含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算するステップは、
前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて、前記触媒モジュール全体の温度上昇を計算し、そして、
前記触媒全体の前記温度上昇に基づいて前記入口温度設定値を計算する、
各ステップを含む請求項１０の方法。
【請求項１３】
前記触媒モジュールの入口温度設定値を計算する前記ステップは更に、
閉ループフィードバックを提供するため、前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタし、そして、
前記触媒モジュールへ入る空気の前記モニタされた温度に応じて前記温度上昇を調節する、
各ステップを含む請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記燃焼器内で燃焼される燃料流量をモニタするステップは、燃料計量メインバルブを制御する燃料流量デマンド信号をモニタするステップを含む、
請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して前記燃焼器へ導入される空気を加熱する前記ステップは、
前記少なくとも一つの前記第１予燃焼器の燃料計量バルブへの前記少なくとも一つの第１予燃焼器の燃料デマンド信号を発生させ、
閉ループフィードバックを提供するため、前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタし、そして、
前記触媒モジュールへ入る空気の前記モニタされた温度に応じて前記第１予燃焼器の燃料デマンド信号を調節する、
各ステップを含む請求項１０の方法。
【請求項１６】
前記燃焼器は第２予燃焼機を包含し、更に、前記第２予燃焼器を制御するための第２燃料デマンド信号を発生して、前記計算された空気質量流量に基づき前記第２予燃焼器を制御するステップを含む、
請求項１０の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの第１予燃焼器を制御して、前記燃焼器へ導入される空気を加熱するステップは、
前記第２予燃焼器の燃料計量バルブへの、前記第２予燃焼器の燃料デマンド信号をモニタし、そして、
前記モニタされた第２燃料デマンド信号に応じて前記少なくとも一つの第１予燃焼器の燃料デマンド信号を調節する、
各ステップを含む請求項１６の方法。
【請求項１８】
ダイナミックプラントで使用される触媒燃焼システムであり、前記プラントが、その内部で混合されて燃焼される燃料流と供給空気とを触媒燃焼システムへ供給し、前記プラントの運転は、ダイナミックプラントの需要に応じて燃料流量デマンド信号を生成して、燃焼される燃料流量を制御する前記ダイナミックプラントのコントローラにより制御され、前記触媒燃焼システムは、普通に使用されている従来の火炎燃焼システムを斯様なダイナミックプラントへ容易に置き換えられる能力を有する前記触媒燃焼システムにおいて、
少なくとも一つの第１予燃焼器と少なくとも一つの触媒モジュールとを中に有する触媒燃焼器と、
少なくとも一つの第１燃料制御バルブと、
触媒燃焼コントローラと、
前記システムへ供給される空気の温度をモニタするために配置された空気入口温度センサとを備え、前記空気入口温度センサは、検知された入口温度情報を前記コントローラへ送信し、
前記コントローラは、前記プラントコントローラから燃料流量デマンド信号を受け取り、前記プラントにより供給される空気の質量流量を計算し、そして前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて前記触媒燃焼器の入口温度設定値を計算し、前記コントローラは、前記入口温度設定値と前記検知された入口温度とに基づいて少なくとも第１燃料デマンド信号を生成し、
前記第１燃料制御バルブは、前記第１燃料デマンド信号に応じて前記第１予燃焼器へ燃料を供給し、そして、
前記第１予燃焼器は前記燃料を燃焼して前記プラントにより供給された空気を加熱する、
触媒燃焼システム。
【請求項１９】
前記システムへ供給される空気の圧力をモニタするために配置される空気入口圧力センサを更に備え、前記空気入口圧力センサは、検知された入口圧力情報を前記コントローラへ送信し、
前記予燃焼器全体の圧力損失を検知するために配置される圧力損失センサを更に備え、前記圧力損失センサは、検知された圧力損失情報を前記コントローラへ送信し、
前記コントローラは、前記プラントにより供給された空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知された入口圧力と、前記検知された圧力損失との関数として計算する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタするために配置されるポスト予燃焼器温度センサを更に備え、前記ポスト予燃焼器温度センサは検知されたポスト予燃焼器温度情報を前記コントローラへ送信し、そして、
前記コントローラは前記プラントにより供給された空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知されたポスト予燃焼器温度と、前記第１燃料デマンド信号との関数として計算する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記触媒モジュールへ入る空気の温度を異なる位置でモニタするために配置される少なくとも２個のポスト予燃焼器温度センサを更に備え、そして、
前記コントローラは、前記少なくとも２個のポスト予燃焼器温度センサにより提供される前記検知された入口温度間の温度一様性の差を計算し、そして、
前記温度一様性の差が第１の閾値を超えたとき、前記コントローラが温度一様性のエラー状態を宣言する、
請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記温度一様性の差が第２の閾値を超えたとき、前記コントローラが非常トリップを発動する、
請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラは前記検知された入口温度の関数として自動点火状態を検知し、前記コントローラは自動点火状態情報を前記ダイナミックプラントコントローラへ送信し、
前記ダイナミックプラントコントローラは前記送信された自動点火情報に応じて、前記触媒モジュールへの燃料流量を削減する、
請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記コントローラが設定時間を超える期間にわたって自動点火状態を検知し続けると、前記コントローラは安全遮断器を発動する、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて前記触媒モジュール全体の温度上昇を計算し、前記コントローラはその関数として前記入口温度設定値を計算する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コントローラは、前記モニタされた触媒入口温度と前記計算された上昇温度とから触媒出口温度を計算し、そして、
前記出口温度が第１の温度閾値を超えたとき、前記コントローラが過温度状態を宣言する、
請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記出口温度が第２の温度閾値を超えたとき、前記コントローラが非常トリップを発動する、
請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタするために配置されるポスト予燃焼器温度センサを更に備え、前記ポスト予燃焼器温度センサは検知されたポスト予燃焼器温度情報を前記コントローラへ送信し、そして、
前記コントローラは前記検知されたポスト予燃焼器温度を利用して閉ループフィードバックを提供することにより、前記温度上昇計算を調整する、
請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタするために配置されるポスト予燃焼器温度センサを更に備え、前記ポスト予燃焼器温度センサは検知されたポスト予燃焼器温度情報を前記コントローラへ送信し、そして、
前記コントローラは前記検知されたポスト予燃焼器温度を利用して閉ループフィードバックを提供することにより、前記第１予燃焼器燃料デマンド信号を調整する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記触媒燃焼器内に第２予燃焼器を更に備え、前記コントローラは第２燃料デマンド信号を生成して、前記計算された空気質量流量の関数として前記第２予燃焼器を制御する、
請求項１８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記コントローラは、前記第１予燃焼器燃料デマンド信号を前記第２燃料デマンド信号の関数として調節する、
請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
ダイナミックプラントで使用される触媒燃焼システムであり、前記プラントが、前記システム内で混合されて燃焼される、コンプレッサからの供給空気と燃料流とを前記触媒燃焼システムへ供給し、前記プラントの運転は、ダイナミックプラントの需要に応じて燃料流量デマンド信号を生成して、燃焼される燃料流量を制御する前記ダイナミックプラントのコントローラにより制御され、前記触媒燃焼システムは、普通に使用されている従来の火炎燃焼システムを斯様なダイナミックプラントへ容易に置き換えられる能力を有する前記触媒燃焼システムにおいて、
少なくとも一つの第１予燃焼器と少なくとも一つの触媒モジュールとを中に有する触媒燃焼器と、
少なくとも一つの第１燃料制御バルブと、
触媒燃焼コントローラと、
前記コンプレッサへ入る周囲空気の温度をモニタするために配置されて、検知された周囲空気温度情報を前記コントローラへ送信する周囲空気温度センサと、
前記コンプレッサの回転数をモニタするために配置されて、検知されたコンプレッサ回転数情報を前記コントローラへ送信するコンプレッサ回転数センサとを備え、
前記コントローラは、前記プラントコントローラから燃料流量デマンド信号を受け取り、前記コンプレッサにより供給される空気の質量流量を、前記検知された周囲空気温度と、前記検知されたコンプレッサ回転数と、既知の周囲空気圧との関数として推定し、前記コントローラは更に、前記空気質量流量と前記燃焼される燃料流量とに基づいて前記触媒燃焼器の入口温度設定値を計算し、前記コントローラは前記入口温度設定値と前記検知された入口温度とに基づいて少なくとも第１燃料デマンド信号を生成し、
前記第１燃料制御バルブは、前記第１燃料デマンド信号に応じて前記第１予燃焼器へ燃料を供給し、そして、
前記第１予燃焼器は前記燃料を燃焼して前記プラントにより供給された空気を加熱する、
触媒燃焼システム。
【請求項３３】
前記システムへ供給される空気の圧力をモニタするために配置されて、検知された入口圧力情報を前記コントローラへ送信する空気入口圧力センサと、
前記システムへ供給される空気の温度をモニタするために配置されて、検知された入口温度情報を前記コントローラへ送信する空気入口温度センサと、
前記予燃焼器全体の圧力損失を検知するために配置されて、検知された圧力損失情報を前記コントローラへ送信する損失圧力センサとを備え、
前記コントローラは前記プラントにより供給される空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知された入口圧力と、前記検知された圧力損失との関数として計算し、
前記コントローラは、前記推定質量流量に対する前記計算された質量流量の割合が最小閾値未満に降下したときコンプレッサからの空気流量の悪化を宣言する、
請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタするために配置されて、検知されたポスト予燃焼器温度情報を前記コントローラへ送信するポスト予燃焼器温度センサと、
前記システムへ供給される空気の温度をモニタするために配置されて、検知された入口温度情報を前記コントローラへ送信する空気入口温度センサとを備え、
前記コントローラは前記プラントにより供給される空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知されたポスト予燃焼器温度と、前記第１燃料デマンド信号との関数として計算し、
前記コントローラは、前記推定質量流量に対する前記計算された質量流量の割合が最小閾値未満に降下したときコンプレッサからの空気流量の悪化を宣言する、
請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
ダイナミックプラントであって、
圧縮空気入口と、少なくとも一つの予燃焼器と、燃料−空気混合部と、少なくとも一つの触媒モジュールと、燃焼バーナーゾーンと、燃焼ガス出口とを有する触媒燃焼器と、
前記圧縮空気入口へ圧縮空気を供給するコンプレッサと、
前記少なくとも一つの予燃焼器と前記触媒燃焼器内での燃焼のための前記燃料−空気混合部とへ燃料を供給する燃料配送システムと、
前記燃焼ガス出口に気体連通するタービンと、
前記ダイナミックプラントのパラメータをモニタするダイナミックコントローラとを備え、
前記コントローラは燃料制御信号を前記燃料配送システムへ提供して前記少なくとも一つの予燃焼器と前記燃料−空気混合部への燃料流量を制御することにより、ダイナミックプラントの全範囲の運転状態にわたりダイナミックプラント性能、負荷および排出物要件を合致させ、
前記コントローラは第１燃料デマンド信号を計算して前記タービンの回転数を制御し、前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の質量流量を決定し、前記コントローラは前記第１燃料信号と前記質量流量とに基づいて前記第２予燃焼器を制御するための第２燃料デマンド信号を計算して前記圧縮空気の加熱を制御することにより前記燃焼ガス出口での燃焼されたガスの温度を設定範囲内に維持し、前記燃料配送システムは前記第１燃料コマンド信号に応じかつそれに比例して前記少なくとも一つの予燃焼器へ燃料を提供するとともに、前記第１燃料デマンド信号に応じてかつそれに比例して前記ガス−燃料混合部へ燃料を提供する、
ダイナミックプラント。
【請求項３６】
前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の温度をモニタするために配置される空気入口温度センサと、
前記圧縮空気入口へ供給される前記圧縮空気の圧力をモニタするために配置される空気入口圧力センサと、
前記少なくとも一つの予燃焼器全体の圧力損失を検知するために配置される損失圧力センサとを更に備え、
前記コントローラは前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知された入口圧力と、前記検知された圧力損失との関数として計算する、
請求項３５のダイナミックプラント。
【請求項３７】
前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の温度をモニタするために配置される空気入口温度センサと、
前記触媒モジュールへ入る空気の温度をモニタするために配置される触媒モジュール空気入口温度センサとを更に備え、
前記コントローラは前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の前記質量流量を、前記検知された入口温度と、前記検知された触媒モジュール空気入口温度と、前記第１燃料信号との関数として計算する、
請求項３５のダイナミックプラント。
【請求項３８】
前記コンプレッサへ入る前記周囲空気の温度をモニタするために配置される周囲空気温度センサと、
前記コンプレッサの回転数をモニタするために配置されたコンプレッサ回転数センサとを備え、
前記コントローラは前記触媒燃焼器へ配送される前記圧縮空気の前記質量流量を、前記検知された周囲空気温度と、前記検知されたコンプレッサ回転数と、既知の周囲空気圧との関数として決定する、
請求項３５のダイナミックプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は燃焼制御システムに関し、より詳細には、特にガスタービンエンジンに関係してそれによって利用されるときの触媒燃焼プロセスと共に使用されるダイナミックでリアルタイムの燃焼制御システムおよび方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
固体、液体および気体燃料の従来型火炎燃焼は数百年にわたって利用されて、他のプロセスを駆動するエネルギーを直接または間接に提供するために使用される熱を提供してきた。この従来型火炎燃焼技術を利用している用途は、炉、ボイラ、ガスタービンエンジンなどを含む。
【０００３】
環境への関心が増大するにつれて、また、燃焼プロセスの化学的理解が向上するにつれて、炭化水素燃料の従来型火炎燃焼からの排出物が主要な空気汚染源であるというのが、今や議論の余地のない事実である。これらの各種燃焼関連空気汚染物質の現行生産速度が環境に不利な影響を作り出し、それが、人類を含む地球上の多くの植物および動物種の存在と安寧をかなり潜在的に危うくしている。この問題の認識が、空気汚染物質の量を削減できる燃焼技術の探査の増加へと導くとともに、環境へのそれらの影響を最小化または除去するための努力の中で、様々な汚染物質に対する政府規制の増加をもたらすこととなった。
【０００４】
二酸化硫黄（ＳＯ2 ）などのある種の汚染物質は、燃料に基づく汚染物質である。これらの、燃料に基づく汚染物質の除去は、燃料自体に直接加えられる処理プロセスを介して、または、燃料の後燃焼状態でそこから直接に汚染物質を除去するための後燃焼排気処理によって達成されるだろう。
【０００５】
一酸化炭素（ＣＯ）や未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）などの他の汚染物質は、従来型燃焼プロセスで使用される燃料の不完全酸化の結果として生成される。このような汚染物質は後燃焼酸化を介して、または燃焼プロセス自体を改良して燃料をより完全に燃焼させることによって除去されるだろう。燃料の完全燃焼を改善する一つの方法は、空気および／または燃料成分の温度を増すことである。燃焼温度を高めることは、燃焼中に獲得される温度が燃焼反応の完了を促進するだけ高くなることを保証する。しかしながら、一酸化炭素の量がこれらの高められた温度によって減少するにつれて、ＮＯｘ排出物は指数的に増加する（図１参照）。ＮＯｘは窒素と酸素の化合物で、小量のＮＯ2 と共にＮＯも含む。ＮＯｘは、大気中の窒素と酸素が、高められた温度で化学的に再結合されるときに起こる複雑な反応で生成される汚染物質である。生成されるＮＯｘの量は、温度と圧力が増加するにつれて増加する。かくして、ＮＯｘは燃焼プロセス、特に往復動および燃焼ガスタービン機械で使用される内部燃焼の結果として生成される。
【０００６】
他の汚染物質に関しては、ＮＯｘの除去は燃焼プロセスの制御を介して達成されるか、またはこの汚染物質を排気から除去することによって達成される。排気ガスからＮＯｘを除去するための一つの方法は、（自動車用途で適用されるように）ＮＯｘをＣＯと化学的に反応させて、窒素と二酸化炭素（Ｎ2 とＣＯ2）を生成することである。しかしながら、ガスタービンエンジンなどの一部の高温燃焼用途では、利用可能なＣＯの量は、高い燃焼温度によって生成される大量のＮＯｘを除去するには不十分である。
【０００７】
ガスタービンエンジン（図２参照）で使用されるような従来型火炎燃焼プロセスは、回転するコンプレッサ１０によって吸気が加圧されるサイクルによって運転される。この加圧空気はチャンバ、つまり「燃焼器」１２を通り、その中で燃料が空気と混合されて燃焼される。高温燃焼ガスは回転するタービン１４を横切って膨張することが許され、それがタービンシャフト１６に与えられるトルクになる。通常、タービンとコンプレッサとは共通のシャフトに結合されるので、タービンで発生したトルクはコンプレッサの駆動に役立ち、かくして、そのサイクルを完了する。更に、タービンで生じたトルクはコンプレッサの「寄生負荷」を大きく上回るので、同一のシャフトを外部負荷に連結できる。ガスタービンを機械的エネルギー源として有用にしているのが、この外部シャフトの仕事である。ガスタービンは、ターボプロップ式航空機、発電機、ポンプ、コンプレッサその他の回転シャフト動力を必要とする装置に使用される一般的なエンジン設計である。
【０００８】
代表的なガスタービンエンジンでは、正しい割合の燃料と空気が噴射されて一つ以上の「燃焼器」内で混合されることを保証するために、燃焼室、燃料供給装置、および制御システムが設計される。燃焼器は通常、金属容器、つまりコンパートメントで、そこで燃料と空気が混合されて燃焼される。各燃焼器内では通常、ピーク燃焼温度が得られる局部ゾーンのセットが存在する。これらのピーク温度は普通、３３００°Ｆの範囲の温度に達する。これらの高温もまた、ＮＯｘ排出物の源になる。通常、これらの金属製燃焼室に対する熱疲労や熱損傷を防ぐために、大量のコンプレッサ空気が、燃焼器を冷却するためにその外側のまわりを通る。次にタービンを駆動する空気は高温燃焼ガスとこの冷却空気との混合物である。その結果の、タービンの入口に入る高温ガス生成物は、通常の産業用ガスタービンでは、全負荷で２４００°Ｆの範囲の温度で供給される。残念ながら、燃焼器内のピーク温度ゾーンで生成される事実上すべてのＮＯｘが大気中に排出される。
【０００９】
燃料の燃焼によって発生して放出される汚染物質の量を削減する努力の中で、炉、ボイラ、ガスタービンなどに使用可能な無炎燃焼プロセスを開発するために大きな努力が払われてきた。カルフォルニア州、Mountain View の Catalytica Combustion Systems Inc. によって開発された一つのこのような無炎燃焼プロセスは、ハニカム状構造を使用する触媒モジュール設計を使用している。ハニカム構造の内部表面に加えられる独特の化学薬品が燃料と空気の化学反応を増大させるのに役立つ。この「分散燃焼」は、構成物質の完全燃焼が、比較的低温で、比較的低い燃料濃度で起こることを可能にする。その構造のために、その触媒モジュールによって発生する熱が大きなゾーンにわたって起こり、かつ、非常に均一に起こるので、従来のガスタービン燃焼器で一般的な「ホットゾーン」を排除する。先に述べたように、これらの「ホットゾーン」は従来型燃焼システムの中でＮＯｘ排出物の源となる場所である。
【００１０】
カルフォルニア州、Mountain View のCatalytica Combustion Systems Inc.は下記の米国特許で明らかなように、触媒燃焼の分野で先駆者的な仕事を開発するとともにその特許を獲得している。すなわち、第 5,511,972 号、5,518,697 号、5,512,250 号、5,425,632 号、5,461,864 号、5,405,260 号、5,326,253 号、5,281,128 号、5,259,754 号、5,258,349 号、5,248,489 号、5,248,251 号、5,232,357 号、5,183,491 号である。これらの特許は、触媒燃焼プロセスを制御する様々な構造と方法を記述して特許を請求している。これらの特許はまた、燃焼効率の増加と、それに起因する望ましくない燃焼副産物、つまり「汚染物質」の量の削減を記述して特許を請求している。これらの参考資料の触媒燃焼プロセスと構造の記述と教示は引用によって本明細書に組み込まれている。
【００１１】
前述の特許は実用触媒燃焼器の開発における先駆者的な仕事を記述しているが、ダイナミックシステムへのそれらの直接的応用は、若干、より限定的である。詳細には、前述の各特許は、各種の固定した定常状態の状況における定常状態運転に関係する制御プロセスを記述する。これらの段階的な定常状態の状況は、そのような燃焼システムがガスタービンエンジン、炉、ボイラその他の燃焼依存プロセスやプラントに適用されるときは、燃焼システムの連続的でダイナミックな性質を代表していない。燃焼システムの適用の性質は通常、運転状態の範囲全体にわたる円滑な遷移への手段を必要とする。更に、多くの燃焼システムは、各種の性能および安全関係の理由のために、様々な時間応答特性の管理を必要とする。より大型で、より複雑な燃焼依存プロセスの文脈の中では、触媒燃焼システムは、触媒燃焼プロセスの適正な運転を達成するために必要な、多重で複雑な依存性を管理するために適切に設計されたダイナミック制御システムを必要とする。更に、その制御システムはまた、大型システム、すなわちガスタービンエンジン、炉、ボイラなどによって命じられるような適切なダイナミック性能を提供しながら、静的状態の連続する範囲にわたってこれらの燃焼プロセスを監視および管理しなければならない。
【００１２】
一般に、燃焼システムは、より大きな、より複雑なプロセス（以後「プラント」と呼ぶ）のサブシステムとして使用される。プラントとしては、ガスタービン動力式発電パッケージ（そのコンプレッサとタービンと発電サブシステム付き）、パルプ処理および乾燥用の蒸気発生器を必要とする紙製造プラント、精製された金属や結晶やセラミックを原材料から生産する材料処理プラント、または燃焼プロセスによって放出される熱エネルギーに頼るいくつかのその他のプロセスまたは用途が挙げられる。これらの各大型プロセスは、燃焼プロセスがプラントやプロセスの最終目的を満たすために適切に制御されることを要求する。一般的には、ある形式の制御システムが、これらの伝統的な（非触媒）燃焼プロセスを調整するために開発されている。これらのプラント制御システムは、膨大に変化するダイナミックなリアルタイムの運転状態に対して燃焼プロセスを変化させる要件を含む、全プロセスの特定ニーズを管理するために設計、開発および改良されてきた。大多数の燃焼用途では、ダイナミック要件を維持することによって、プロセス要件が常に制御状態にあることを保証しなければならない。プラント制御システムは一般に、熱限度、圧力、および変化率がプロセスの設計限度内に適正に維持されることを保証する。産業規模の燃焼プロセスによって放出される莫大なエネルギーのために、これらの燃焼プロセスの制御の維持に失敗すれば、生命の損失、重大な財務損失および／または重大な環境破壊をもたらす恐れのある状況をもたらすかもしれない。より最新のプラント制御システムもまた、大気に対して許される汚染ガスの量を監視、調整しなければならない。触媒燃焼システムはまた、全プロセスの要件が維持されることを保証するために適切な制御システムを必要とするが、更に、触媒燃焼器の適正な運転に必要なプロセス条件が維持されることを保証するための制御システムを必要とする。
【００１３】
触媒燃焼の利用から利益を受けるであろう一つのシステムはガスタービンエンジンである。これらの機械は、大型の商用発電機の動力を供給するために通常的に使用される。この例示的環境では、全システムの要件は広範な運転およびダイナミック要件を包含する。運転状態は殆ど瞬間的に変化するだろう、というのは、一部が高速で回転して大量の熱と圧力と馬力を発生している機械コンポーネントのシステムは、電気回路遮断器の突然の開放で無負荷状態へと突然に遷移しなければならないからである。この例では、制御システムは、機械がその設計限度を超えて速度超過しないことを保証するために、１秒の何分の一の間に燃焼プロセスの出力を削減できなければならない。更に、燃焼成分が安全限度内に維持されることを保証するために燃焼システムを調整しなければならない。制御システム（単、複数）の機能とは、燃焼システムと共に全プラントを連続的に調整することである。
【００１４】
【発明の概要】
従って、本発明の目的は、触媒燃焼制御の技術の現状に存在する上記およびその他の問題を克服することである。より詳細には、本発明の目的は、実世界のダイナミックシステムでの使用に適した触媒燃焼プロセスを制御できるダイナミック制御システムを提供することである。本発明の更なる目的は、それを使って運転されるシステムの全運転範囲にわたって出力汚染物質の生産を最大許容限度以下に維持する触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御システムを提供することである。更に、本発明の目的は、ガスタービンエンジン用触媒プロセスのためのダイナミック制御システムを提供することである。更に、本発明の目的は、ガスタービンエンジンに適用する触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御を提供することで、それはプロセス制御機能のバランスを適切に調和して、タービンの要件が触媒燃焼プロセスの適正な運転に対して同時に維持されることを保証する。
【００１５】
これらの目的に鑑みて、本発明の特徴は、触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御システムが単一または多段の触媒燃焼システムを制御することである。本発明の更なる特徴は、ダイナミック制御システムが、その後の運転のための重要設定値と限度レベルとを提供するために、適切なプロセス条件、スケジュールその他によってプログラムされることである。本発明の更なる特徴は、ダイナミック制御システムが、プラントと触媒燃焼システムによって要求される全出力範囲にわたって安全、かつ最適な方法で、触媒燃焼を調整するために設計された一連のアルゴリズムと論理構造を処理することである。本発明の更なる特徴は、ダイナミック制御システムが、プラントによって要求される全運転範囲にわたって、触媒燃焼プロセスとプラントの要件に適したレベルに触媒入口温度を維持するために、一つ以上の必要な予燃焼器の運転を監視および調整することである。更に、本発明のダイナミック制御システムの特徴は、汚染ガスの排出が最小になる適正な予燃焼器温度を維持することである。更に、本発明のダイナミック制御システムの特徴は、触媒モジュールが温度超過による破壊から保護されることを保証するために、燃焼プロセスを連続的に監視および調整することである。本発明の更なる特徴は、触媒燃焼プロセスのダイナミック制御が、触媒燃焼器および／または予燃焼システム（単、複数）を通過する空気の質量流量の連続的なオンライン計算によって達成されることである。本発明のダイナミック制御システムの更なる特徴は、各種制御機能が、触媒燃焼モジュールを通過する空気の質量流量の計算値に基づいて適用できることである。更に、本発明の特徴は、触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御システムが、プラントの燃焼システムの遷移運転時の遷移時間を最小にする予測制御機能が可能なことである。更に、本発明の特徴は、触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御システムが、それなくしては触媒燃焼システムおよび／またはプラントの最適運転が害なわれるかもしれないセンサの故障を検出できることである。本発明の更なる特徴は、触媒燃焼プロセスのためのダイナミック制御システムが、触媒燃焼システムの制御が安全な運転状態内に維持できるように、また、排気排出物が許容限度内に維持されるように、空気源の状態を監視および診断できることである。本発明の特徴は、「ダイナミック制御システム」が、異なる制御経路と運転限度を持つシステムに対する使用のために、一旦これらの限度が決定されたときは、直截的に適応できることである。
【００１６】
これらの目的と特徴に鑑みて、少なくとも一つの予燃焼器と少なくとも一つの触媒モジュールとを備えたガスタービンエンジンに適用される本発明の好ましい実施態様の一局面は、プラントと触媒燃焼モニタ、およびシーケンス機能を組み込むことである。これらの機能は、システムが「許容」限度の範囲内で運転されていることを確かめるために、重要な計器の読みを所定の設定値のセットと比較することが望ましい。本発明の制御システムは、個々のパラメータの読みをそれぞれの限度と比較する。何れかのパラメータの読みが、プラントまたは燃焼システムの一部が許容限度またはその範囲外にあることを示す場合は、本発明の制御システムは、様々な信号出力を介して適切な修正動作（単、複数）を開始する。これらの出力は出力装置を直接に制御するとともに（すなわち、燃料制御装置）、システムをその運転限度内に回復するために、生成中または制御ロジックの他のセクションによって生成される出力信号を無効にすることができる。これらの機能は以後、「リミッタ」および／または「トリップ」機能と呼ぶ。
【００１７】
更に、本発明の一局面は、プラントによって要求される速度、および／または温度、および／または圧力、および／または加速度、および／または減速度調整器を満足させるために、これらのパラメータ（これらの機能は以後、「タービンガバナー機能」と呼ぶ）のための経路要件に従って、燃焼器出力温度の必要な変化を計算することである。これらの機能は、各パラメータに対する現行プロセス値と共に、例として速度、排気ガス温度、燃焼器圧力、加速または減速率のための設定値情報と経路とを要求する。制御ロジックの機能は、タービンガバナー機能を満たすために、触媒燃料流量の適切な修正を計算することである。
【００１８】
更に、本発明の一局面は、燃焼空気の質量流量の計算を提供することである。本発明の一実施態様では、燃焼器の空気流量を決定するための方法は、空気の特定の既知の熱力学的特性に関連する絶対予燃焼器入口圧力、絶対予燃焼器入口温度、および予燃焼器差圧のサンプル値を、空気が通過しなければならない開口面積に関連して利用する。これらのパラメータを使用する式は、燃焼器の空気流量に対する連続的な更新値を生成するために、プラントのダイナミック要件に適した速度で制御システムによって処理される。燃焼器の空気流量を決定する方法の別の実施態様は、予燃焼器のすぐ上流で測定された絶対温度、予燃焼器の下流の絶対温度の測定値、および予燃焼器（単、複数）に供給されている燃料の質量流量、のサンプル値を利用する。予燃焼器全体の測定温度上昇を使用して、その温度上昇を生じるために必要な燃料の量と組み合わせることによって、予燃焼器を通過する空気の質量流量を計算できる。
【００１９】
燃焼器の空気流量を決定するための方法の更に別の実施態様は、空気源とプラントの性能特性に基づくデータを利用する。この「モデル基準」の評価は、燃焼セクションを介して指示される空気流量をもたらす他のサブシステムに関連して、コンプレッサやブロワの既知の特性を使用する。コンプレッサの吸気と排出圧力および温度のオン・エンジン測定値の利用、コンプレッサ回転数および大気によるバイアス効果の適切な計算、エンジン冷却路に対する空気損失、およびコンプレッサ周辺システムからの位置または読みを使って、ガスタービン燃焼システムを通過する空気流量の計算を作成できる。更に、蒸気ボイラシステムなどのダイナミックプラントで使用される本発明の別の実施態様は、空気流量の大きさが計器の読みとして提供されることに頼っている。本発明の使用が予想される一部のシステムでは、独立の計器や計器のセットを使用して、燃焼システムを通る空気流量を決定できる。そのような装置やシステムが使用されているか、触媒燃焼システムに関連して使用できる場合、その空気質量流量の読みは、その計器の読みの過渡挙動がプラントの要件に合致することを条件として、システムの中に容易に組込みできる。
【００２０】
本発明の更なる局面は、触媒燃焼システム点火、燃料ステージング、および触媒ウォームアップのシーケンスの管理を提供することである。本発明のダイナミック制御システムは、触媒燃焼システムの適正な運転に対して重要な各種シーケンスを管理する。これらの基本シーケンスは、予燃焼器システムが首尾よく点火することを保証するために、一つ以上の点火システムの開始、持続、終了を含む。独立セットの各機能がスタータの回転数を調整することが望ましい。本発明の制御システムはまた、運転の準備状態を決定するのに必要なパラメータのセット、ならびに別のプラント制御装置や人間オペレータからの基本入力を監視するとともに、スタータと点火装置を制御するリレー出力を指示する。スタータ、点火装置、および予燃焼器機能は、燃焼プロセスを開始するために本質的に同時に作動される。更に、本発明の制御システムは、燃焼計量弁および／または燃料遮断弁を制御することによって燃料供給を管理する。本発明のステージング機能は、燃焼システムとプラントの適正な運転を保証するために、ガスが適切な時間に適切な流量で、適切な予燃焼器や触媒燃料路に供給されることを保証する。制御システムは、適正な運転および安全状態が連続的に維持されることを保証するために、一つ以上の流路を遮断できる。本発明のダイナミック制御システムはまた、触媒モジュールの適正なウォームアップを獲得するために予燃焼器の運転を調整する。このウォームアップシーケンスは、必要な活性化エネルギーが触媒モジュールに与えられることを保証するので、その後の過渡運転時に触媒燃焼システムが適切に応答することになる。
【００２１】
本発明の更なる局面は触媒モジュールの空燃比と予燃焼器管理、または予燃焼器温度設定値制御の決定を含む。この機能の組合せは、瞬間的触媒空燃比と触媒モジュールの温度出力とを計算するために、燃焼器空気流量計算の結果と触媒モジュールに供給される燃料流量とを使用する。触媒空燃比と触媒出口温度とに基づいて、現行触媒入口状態と触媒モジュールの最適運転に要求されるそれとの間の比較が行なわれる。本発明のダイナミック制御システムが、空燃比または触媒モジュール出口温度（タービン調速機能の要件によって命じられる）は、現行触媒入口温度との組合せで、ＣＯおよび／またはＵＨＣ排出物の増加の方向に向かう状態になると決定する場合、予燃焼器管理機能は予燃焼器温度設定値を増して、予燃焼器出口温度を増加させるだろう。この予燃焼器排出温度の増加が触媒モジュールのＣＯとＵＨＣを削減することになる。
【００２２】
逆に、本発明のダイナミック制御システムによって行なわれる計算が、触媒の空燃比と触媒入口温度とは触媒モジュールの過大な温度に向かう傾向があると命じる場合、予燃焼器管理機能は予燃焼器設定値を減少および／または触媒出口温度を減少させるか制限するだろう。触媒入口温度の減少、または触媒燃料流量の削減は、触媒モジュール内の内部温度を減少させるので、触媒モジュールの有効寿命を増加させる。ダイナミックレベルと大気状態が変化するにつれて、予燃焼器管理機能は、予燃焼器出口温度を最適レベルへと連続的に最適化するので、汚染排出物を削減すると同時に、触媒モジュールの寿命を最大にする。
【００２３】
本発明の更なる局面は予燃焼器出口温度の制御を含む。本発明のダイナミック制御システムのこの局面は、予燃焼器（単、複数）から要求される追加の温度上昇の量を計算するために、コンプレッサ空気排出温度のサンプル値と、サンプリングされた予燃焼器排出温度設定値とを利用する。本発明の好ましい実施態様では、アルゴリズムのシーケンスは、必要な予燃焼器出口温度を得るために、予燃焼器燃料流量の必要量を逆計算するための空気流量計算（単、複数）の結果を利用する。空気流量のこの誘導方法は、適当な燃料流量の近似を大抵の通常温度変換器よりも素早く作成できるので、過渡変化に応じた燃料の変化を、温度変換器からの読みを通常的に受けるであろう前に、素早く修正できる。本発明の好ましい実施態様では、温度変換器の読みをこれらの空気流量の誘導された評価に関連して使用して予燃焼器の燃料流量の最終タイミング修正を作成するので、望ましい予燃焼器出口温度が正確に得られることを保証するとともに、素早い過渡応答が達成できることを保証する。本発明の実施態様に含まれるこの予燃焼器出口温度管理ロジックの出力は、予燃焼器温度を物理的に操作する燃料制御弁（単、複数）を位置決めしたり、その出力を指示するために使用される。更に、予燃焼器出口温度管理ロジックの中で作成される情報は、診断、予防保全のモニタリングその他のプラント制御操作に使用されるプロセスパラメータ出力機能に利用できる。
【００２４】
本発明の更なる局面はプロセスパラメータ出力に関する。各種入力、中間計算、および出力パラメータの現行値（すなわち、予燃焼器入口温度、予燃焼器排出温度、タービン回転数など）は、上記のように、アルゴリズムの中で使用するために（好ましくは連続的に）サンプリングされる。この情報は、人間−機械インタフェース装置その他のデータ収集または制御システムへ電子的にバッファおよび連絡できる。このデータを誘導および伝達する能力は、システム診断、予防保全モニタリングその他のプラント制御操作のために使用できる操作的に重要な情報を提供する。各種計器の読みの使用と誘導された状態は、ガスタービンプラントの、より詳細なモデル基準制御装置を持つダイナミック制御システムの別の実施態様でも使用できる。
【００２５】
本発明の更なる局面はシステム性能の相関の作成である。ダイナミック制御システムは、「新鮮(as-new)」なエンジン性能データとの相関を提供するために、一つ以上の組込みアルゴリズムによって作成された十分な情報を作り出すことが望ましい。これらの相関は、燃料効率とエンジン性能を低下させて、その結果、修正がなければ、汚染排出物を増加させるかもしれない空気流供給の減少を、診断または検出するために使用できる。更に、触媒入口温度とタービン入口温度などのいくつかのパラメータを、アルゴリズムと別の計器の読みとを使って誘導できる。これは、変換器の故障時にこれらの「疑似計器の読み」を使用するために、あるいは潜在的には触媒燃焼システムのコストを削減するために、プラント制御システム内でロジックを適用する機会を作り出す。更に、本発明の更なる局面は、多重の予燃焼器を管理することである。本発明のシステムは、触媒入口での必要温度上昇を発生させるために多重の燃焼ゾーンを含むことが望ましい。これらの燃焼ゾーンは、それぞれが全温度上昇の一部に寄与し、それぞれの経路が出力温度と汚染排出物の最適状態を達成するように管理される状態で、独立に管理されるように設計してもよい。その外に、ダイナミック制御システムは多重予燃焼器経路が独立に制御されることを可能にするが、その場合は一つ以上の経路が最適化される。この実施態様では、残りの経路（単、複数）は、全温度上昇を予燃焼器温度設定値に正確に一致するレベルまで高めるように制御される。
【００２６】
本発明のこれらとその他の諸目的および特徴は、添付の図面に関して考察することによってより明白になるであろう。
【００２７】
本発明は様々な変形と代替構造を受け入れる余地があるが、図にはその特定の実施の形態を示し、以下詳細に説明する。しかしながら、開示された特定の実施の形態に本発明を限定する意図は無く、反れとは反対に、その意図するところは、付帯する特許請求の範囲で定義される本発明の精神と範囲に含まれる全ての変形、代替構造、および均等物に及ぶ。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の動的制御について、以下にそのインターフェースおよびガスタービンエンジンとの操作に関連して説明されるであろうが、当該技術分野の通常の熟練者は、ここに記載する制御構造および方法を、例えば加熱炉、ボイラ等を含む種々のタイプの触媒による燃焼システムの動的制御のために利用できることが理解できるであろう。そのために、ガスタービンエンジンに適用した場合のインターフェースおよび機能について、例示としてのみ取り上げたものであり、この文書に添付の請求の範囲によって規定されるように本発明の範囲を限定するものではない。
【００２９】
当該技術分野の熟練者は、本発明がデータ捕捉能力を持つ適切な電子計算機システムにおいて好適に実施されることもまた理解されるであろう。この電子システム（以下「電子工学プラットフォーム」という）の基本的要求条件は、実質的に変化することもあり、本発明の範囲を限定することは考慮すべきではない。電子工学プラットフォームの以下の要求条件は、触媒による燃焼のためのこの発明の動的制御システムの設計および実施を理解する助けとなるものだけを含んでいる。本発明と一緒に使用するために適した代表的な電子工学プラットフォームにおいて、必要なプロセス変数の取得は、プラントおよび触媒による燃焼プロセスの動的要求条件に適合する割合で達成される。プラント内、および触媒による燃焼システム内で種々のプロセスの状態をモニターする各種の計器からの読み値を得ることができるシステムで本発明は最適に作動する。なおそのほかに、プラットフォームは好適にはその後の計算で使用するためにこれらの計器の読み値に基づいて種々の導き出されたパラメータの結果をバッファリングすることができる。この演算データは制御論理の計算として使用される。
【００３０】
さらには、電子工学プラットフォームはまたタイムリな方法で必要な数学関数を計算する能力も持っている。システムは必要な計算を処理し、触媒による燃焼プロセスだけでなく、プラントの制御に必要とする管理に十分な更新速度で引き続く方程式またはルーチンに結果を送ることができなければならない。プラットフォームはまた適切な出力デバイスとインタフェースする能力も持っている。本発明のシステムは、マシーンとインタフェースするために適切な出力デバイスに可変できる各出力のための最終値を出力する。出力信号処理システムおよび通信原理体系（すなわち、電圧出力、電流出力、シリアル通信、など）の更新速度は、触媒による燃焼プロセスだけでなく、プラントの制御に必要とする管理に適した速度で実施されなければならない。
【００３１】
さらに、プラットフォームは、一連の目標制御パラメータ・トラジェクトリの定義およびプラントの設計要求条件に適した運転範囲限界を提供し、そして一連の目標制御パラメータおよび運転範囲限界はプラントに適用される触媒燃焼のバージョンに特有のものである。プラントの形式と適切な触媒燃焼システムの設計の潜在力の差の間の膨大な設計の変化のために、各システムは制御トラジェクトリおよび運転範囲限界の多少ユニークなセットを必要とするであろう。動的制御システムが、制御トラジェクトリと運転限界の広い範囲を要求するシステムに使用するために、いったんこれらのパラメータが確立されれば、直送方式で適用できるということが、本発明の特徴である。
【００３２】
ここで図面を詳細に参照すると、第３図は、本発明の制御システムの実施例の応用において特に十分に適合した触媒による燃焼プロセスを利用する動的システムを図示している。特に、第３図に示すガスタービンシステムは、軸２４を介してガスタービン２２に連結され、駆動されるコンプレッサ２０から成る。このほかに、ガスタービン２２はまた回転エネルギを、例えば、プラントまたは必要に応じて自治体用の電力を発電する（「負荷」として示す）発電機に回転エネルギを提供する軸２６を駆動する。運転間、線分２８で示すように空気は、コンプレッサ２０に入り、そこで圧縮される。コンプレッサ２０内部での圧縮プロセスの間、空気の温度は約６５０°Fまで上昇する。この圧縮された高温空気は、線分３０で示すように、燃料と混合され触媒燃焼器３２内部でガス状空気−燃料混合気を形成する。高温圧縮空気３０と混合するために触媒燃焼器に流れ込む燃料の量は、計量弁３６を通してコントローラ３４によって制御される。燃焼器３２に流れ込むメインフローを調節する制御構造は、例えば速度、排気ガス温度（EGT）、および加速度／減速度のような制御パラメータで作動するガスタービン制御構造の形式を取ることもできる。ガスタービン２２を駆動する主燃料制御のために簡略化若しくはさらに複雑な制御構造を、必要に応じて利用することもできる。標準的なガスタービン制御構造を含むコントローラ３４の部分は、コントローラ３４の一部分３８として図示されている。
【００３３】
触媒燃焼プロセスの制御は、また好適にはコントローラ３４内部にも、さらに明確にはコントローラ３４の一部分４０内に配置されるが、当該技術分野の熟練者はこの位置は本発明にとって重要なものではないことが理解されるであろう。コントローラ３４のこの部分４０は、触媒燃焼器３２の内部の少なくとも一つの予燃焼器（図示していない）に燃料を計量供給する少なくとも一つの計量弁（４２'、４２''）を制御する。これらの計量弁４２'、４２''の制御によって、触媒燃焼器３２の出力燃焼ガスが線分４４によって示すように約２４００°Fの温度を維持することを確保するために触媒燃焼プロセスのための理想運転ポイントを維持することが最適化される。この加熱燃焼ガス４４は、ガスタービンエンジン分野の熟練者には理解できるであろう在来の方法でタービン２２を駆動するために使用される。
【００３４】
さらに詳細には、引き続いて第３図を参照して、運転間、周囲空気がコンプレッサ２０に入り、そこで圧縮される。燃料は触媒燃焼システムの種々のセクションに噴射され、そこで圧縮された加熱ガスと混合される。この空気−燃料混合気は触媒燃焼システムのそれぞれの段の内部で燃焼される。燃料のある一定の割合が、圧縮熱の結果生じる温度から触媒モジュール（図示していない）の最適運転のために適したレベルまで圧縮空気の温度を上昇させる目的で、予燃焼器（図示していない）の一つまたはそれ以上の段の内部で燃焼される。予燃焼器（複数）の内部で燃焼する燃料の量は、一つまたはそれ以上の予燃焼器制御弁４２'、４２''のモジュレーションによって本発明の動的制御システム４０によって調節される。燃料の残りは、触媒モジュール内部で燃焼され、プラントの出力を調節するために一つのまたはそれ以上の触媒燃料制御弁（複数）３６のモジュレーションによって動的制御システム４０によって調節される。動的制御システム４０は、また燃料送出しシステム４１内部に使われる場合がある遮断弁４３'、４３''、４３'''、４３''''、４３''も制御する。本発明の好適実施例では、標準的ガスタービン調速機能を管理する部分３８内部の一連の制御論理構造が利用される。これらの調速機能の例には、タービンの回転速度の調節、タービン出口温度の制限、およびタービン始動シーケンスの制御だけでなく、タービンおよび／または被動負荷の加速と減速についても含まれる。ガスタービンを管理するために必要な代替制御構造は、本発明の好適実施例から単純化されるであろう、またはプラントの特定要求条件に基づく必要に従って、さらに複雑に作ることもできる。
【００３５】
さて、第４図において、触媒燃焼器のさらに詳細な説明が、入力圧縮空気の温度の増加につれて、ガス状空気−燃料混合気の燃焼の開始、および２４００°F範囲の出力高温ガスを生成するための混合気が完全燃焼するように、概略図と図表形式の両方で図示されている。しかし、この線図は、２段予燃焼器付きの標準的な２段触媒燃焼モジュール３２を表し、種々の機能が、その特定の構成形態に基づいて触媒燃焼システムの代替的変化に適用できる。触媒燃焼器３２は入力空気温度制御セクション４６と、燃料−空気混合部分４８と、少なくとも一つの触媒モジュール５０と、および燃焼バーナゾーン５２から構成される。これらのセクションのそれぞれの間を通した温度は概略図の下部に、予燃焼器温度センサＴ３２、予燃焼器出口温度センサＴ３４、触媒入口温度センサＴ３６、および本発明によって計算されたようにＴ３８とＴＡＤの位置で導き出された温度によって、それぞれわかるように触媒燃焼器３２のそれぞれの物理セクションに関連してアイドリングと全負荷をそれぞれ示す線分５１と５３で示してある。
【００３６】
触媒燃焼プロセスは一連のプレスタート・シーケンスを伝える動的制御システムとして始まる。一般的には、一連のプレ・イグニッション・シーケンスがあり、システムチェックはプラントの運転準備を確実にするためにプラント制御システムによって管理される。一例として、コントローラ３４はスタータ（図示していない）への出力信号を変調することによってタービンを必要なパージ速度にする。コントローラ３４はタービンを規定の時間正しいパージ速度に維持し、任意の燃焼煙がタービンおよび排気システムから適正に排煙され、システムをイグニッション・シーケンスについて準備することを確実にしている。いったん、この一連のシーケンスが完了すると、燃焼開始のプロセスが始まる。この時点から動的制御システムが、イグナイタおよび燃料デリベリ・システムの運転を管理しプラントの要求条件を満足する。
【００３７】
動的制御システムは、ガスタービンの始動シーケンス、またはボイラー若しくは加熱炉応用における、燃焼器への空気流増加のシーケンスを、動的制御システム内部の「スタートＯＫ」状態を指示するデジタル出力を提供することによって制御する。ノー・フォールトが検出されたとき、「スタートＯＫ」状態は真であり、目標値は正しい値でイグニッションに対応する。スタート・イネーブル信号がプラント制御システム若しくはオペレータから提供されたとき、動的制御システムは始動システムに接続されているリレー出力を閉じる。この第１リレーが付勢されたとき、システムは適切な点火速度まで立ち上る。動的制御システムが、点火回転速度、または正しい点火空気流が達成されていることを検出すると、燃料停止弁４１（第３図参照）と予燃焼器計量弁４２が予燃焼器内部の空気流れの中に噴射する正しい量の燃料を適切に調節するようになっている。同時に、電気的点火システム（燃焼システムの一構成品）の作動を開始するインタポーズ・リレーに信号が供給される。数秒後、イグナイタがオンになり動的制御システムは、Ｔ３４トランスジューサによる測定に従って、温度上昇を計算し、そして予燃焼器の温度の変化率が設定レベルに合致すると、動的制御システムは予燃焼器システムに供給する燃料を増加する。動的制御システムは、次に、適切な「暖気運転」レベルまで、予燃焼器温度目標値を増加する。触媒モジュールが十分な温度に達していることを検出する間で、予燃焼器（複数）の出力温度はこの暖気運転レベルに維持され、それによってその燃焼プロセスは有効な効果をもたらすことができる。この時点で、ガスタービン・スタータがその最大速度まで立ち上がり、そして、プラントの適切なアイドリング若しくは最小出力要求条件を達成するために、追加の熱出力がプラントで要求された場合、触媒モジュール５０内部の引き続く燃焼のために動的制御システムによる調節に応じて燃料がメインガス・ミキシングシステム４７に進入可能になる。動的制御システムはこの触媒ウォームアップ・シーケンスを管理し、ウォームアップ・シーケンスが完了するまで触媒モジュール５０の燃焼供給を防止する。
【００３８】
増大した空気量がコンプレッサ２０、ブロワー、ファンなどによって触媒燃焼器３２に供給されるにつれて、空気流が一つまたはそれ以上の予燃焼器（複数）５４、５６を通過するように押し込む予燃焼器・ダイアフラム４９によって空気流が絞られる。このダイアフラム絞り穴によって、予燃焼器・センサＰ３２による測定に応じて燃焼器入口圧力での増加を、また、予燃焼器差圧センサＰ３４による検出に応じてダイヤフラムを横切る圧力の増加をもたらし、燃焼システムを通して供給される空気流量速度を計算するために動的制御システムによってこの差圧センサＰ３４が使われる。本発明の好適実施例において、予燃焼器の入口に供給される空気の温度は、一連の温度センサＴ３２によってモニターされる。そのほかに、予燃焼器排出部で得られる温度はセンサＴ３４でモニターされ、動的制御システムによって制御される。触媒燃焼器の好適構成形態では、温度センサＴ３６はまた触媒の入口に位置し、また動的制御システムによってモニターされる。動的制御システムの好適実施例において、予燃焼器（複数）５４、５６の出力は、予燃焼器燃料弁（複数）４２'、４２''（第３図参照）の燃料流量供給を制御することによって調節され、触媒モジュール５０の最適性能のために必要なレベルまで圧縮空気温度を上昇させる。
【００３９】
予燃焼器（複数）５４、５６によって加熱された空気は、次に、ガス・ミキシング構造４７を正確に調節された温度で通過する。動的制御システムは、プラントの要求条件に従って触媒燃料の精密な割合を調節する。この燃料は噴射され混合された後、触媒モジュール５０内に分与され、そこで混合気の触媒燃焼が始まる。空気−燃料混合気の燃焼によってガスが触媒モジュール５０の全長を通過するにつれて熱が解放され、構成物質の分子運動エネルギが累進的に増加する。触媒モジュール５０の長さに沿って空気−燃料混合気に分与される燃焼の熱は、触媒燃焼器５２の下流セクションでの引き続く反応の生起を高める。したがって、ガス混合気が触媒モジュール５０の長さを通過するにつれて、触媒システムの軸方向長さに沿って温度は着実に上昇する。好適には、触媒モジュール５０内部の若干のセルは内部に触媒コーティングを施していないように特別に製造されている。その結果、触媒モジュール５０を通過する空気−燃料混合気の一部分は実質的に燃焼反応が起こらない。空気−燃料混合気のこの一部分の燃焼は、触媒モジュール５０を出る高温ガスが空気／燃料比の関数として変化する必要な反応温度において、若しくはそれ以上のときに起きる。最高温度は、温度センサＴＡＤによる測定にしたがって触媒モジュール５０の下流のバーンナウトゾーン・チャンバ５２内部で得られる。これらの高温ガスは次にタービン２２の入口に供給され、トルクを生成し、このトルクによって被動負荷が回転し、軸２４（第３図参照）を介してコンプレッサ２０を回す。
【００４０】
触媒燃焼器３２がその適切な運転温度に達した後、計量弁３６を通過する触媒燃料流量は、必要な速度でタービンを適切に加速するように、バスタービン制御構造３８によってスケージュールされる。タービンが同期速度に達した後、コントローラ３４は、発電機周波数が発電応用におけるグリッド周波数と同期する前に順序付けコマンドを待つ。いったん、順序付けコマンドを受信したら、コントローラ３４はタービン速度を調整し、従来の方法で発電機周波数とグリッド周波数を一致させる。発電機出力が同期すると、需給ブレーカが閉じ、負荷基準が増加し、発電機が電力を需給グリッドに送出する。
【００４１】
電力グリッドに送出する電力を増大するために、ガスタービン制御構造３８は計量弁３６を変化させることによって触媒モジュールへの燃料供給量を増やす。燃料供給の増加によって出てきた追加の熱エネルギが、出力タービンのトルクを増加を作り出す。トルクの増加によってグリッドへの比例電力出力を生じる。触媒燃料流量が計量弁３６を通して増加するにつれて、十分な活性化エネルギのために必要な触媒入口温度が減少する。触媒燃焼器制御セクション４０は、触媒燃料流量、タービンおよび発電機運転状態をモニターし、並びに最適触媒寿命のための触媒活性化エネルギを維持するために必要な最適触媒入口温度および以下においてさらに詳細に説明されるであろう排出ガスを、それぞれ決定する。予燃焼器燃料流は、この目標触媒入口温度がマシンの変化による負荷需要に応じて円滑に途切れなく維持することを確保するために、計量弁４２'、４２''を通してこの制御装置４０によって調節される。同時に、制御装置４０は一次予燃焼器５４への出力を調整し、二次予燃焼器５６のリーン・プレミックスの安定性と正しい運転を維持する。運転範囲全体を通じて、コントローラ３４は、触媒燃料、両方の予燃焼器段５４、５６への燃料流れを調節し、急激な負荷増大、負荷ドロップ、若しくは需給ブレーカ・トリップのような急激な負荷条件の変化の下でさえも最適性能と排出ガスを維持する。
【００４２】
触媒燃焼システムの特性は、全体温度の上昇が触媒燃焼システムの通過長さに沿う種々の要素によって累進的に生ずることである。触媒燃焼器の機能的な長さに沿って作り出される温度勾配は、第４図の下部に線図で示されている。この図において、各エレメントによって引き起こされる温度勾配は、燃焼器３２の長さに沿う温度曲線の大きさで増加または減少することによって表わされる。
【００４３】
この触媒システムのさらなる特性は、予燃焼器出口温度が触媒の入口面に均一に分布している限りは、在来燃焼システムにおいて一般的な「ホットゾーン」が存在しないで出口温度もまた均一になることである。予燃焼器温度の均一性を確保するために、本発明の機能は、各種の出口温度サーモカップルＴ３４をモニターし、個々の読み値の差を比較することである。個々の読み値が設計限度の範囲内に規定されているように設定された量よりも超える差があれば、動的制御システムは、温度均一性が許容最適範囲内にないことを指示する警報の発生する。動的制御システムは、また温度均一性が許容運転範囲内にないときは、シャットダウンを開始する。さらに、必要に応じて、各レベルについて適切に規定された設計限界とともに同じ基本論理構造を使って、中間レベルでチェックすることができ、制御論理の範囲内で適切な処置を取ることもできる。これらの機能についての代表的な論理構造を以下に示す。
【００４４】
ΔＴ（測定値）＞設計限界＃１であれば、非・均一性限界＃１＝真である。
【００４５】
ここで、ΔＴ（測定値）は、最高および最低予燃焼器温度読み値の間の数値差であり、
設計限界＃１は、予燃焼器全体に広がる温度についての設定最大許容である。
【００４６】
非・均一性限界＃１は、予燃焼器温度均一性が許容限界内に入っていないこと指示するために制御装置内に論理フラッグとして使用される模範出力変数である。
【００４７】
この代表的な構成は、一つまたはそれ以上の確立された温度限界とともに使用される。したがって、マルチプル・セパレート温度限界は動的制御システムにおいて出力をいろいろ変えるために使用することもできる。例えば、最高と最低信号の間の温度差が最大推奨限界を超える場合、「真」の状態はワーニング（警報）ブザー若しくは目視表示を作動させるために使用することもできる。非・均一性が燃焼器に損傷を起こすであろう最大設計限界以上に超えた場合、エマージェンシ・トリップを開始するために分離したより高い限界を使用することもできる。このトリップ・シーケンスは動的制御システムによってもたらされ、すべての経路への燃料弁の迅速な閉鎖によって、したがって、燃焼プロセスを終了する。非・均一性条件（複数）の状態は、動的制御システム内にラッチされ（ハイ状態に維持され）、バッファに入れられ、操作パネルに送信され、そこでシャットドウンを引き起こした状態を知ることができる。
【００４８】
上記の説明および第５図に示した簡略化したブロック線図に従って、触媒燃焼器３２の触媒燃焼セクション５０は、マルチプル触媒モジュール５８、６０を構成する。当該システムにおいて、触媒モジュール５８、６０全体の温度上昇は、ガス状空気−燃料混合気によって引き起こされる燃焼反応のために、制約され、その結果、特別な触媒モジュール全域の熱応力を制限する。第５図に示すように、触媒燃焼器３２は二つの触媒モジュール５８、６０から構成される。第１触媒モジュールは触媒燃焼プロセスを開始し、ガス状空気−燃料混合気の温度をその入口で約８５０°Ｆから（全負荷において）その出口で約１４００°Ｆまで上げる。第２触媒モジュール６０はこの部分的に燃焼したガス状空気−燃料混合気を約１４００°Ｆで引き取り、さらにガス状空気−燃料混合気と反応して触媒燃焼プロセスを続け温度を入口で約１４００°Ｆから出口で約１６００°Ｆまで上昇する。その後、部分的に燃焼した空気−燃料混合気は、上記で説明したように約２４００°Ｆの線分４４の出力温度まで完全燃焼する。メイン・タービン制御システム３８（第３図参照）は、上記で説明したように計量弁３６を制御し、軸２６によって被動される発電機（図示していない）に連結された電気若しくはそのほかの負荷の増加若しくは減少に応答してタービン速度を増加若しくは減少する。この触媒燃焼システムは第１予燃焼器５４と第２予燃焼器５６の両方を含み、本発明の動的触媒制御システムは、二つの計量弁、すなわちプライマリ・予燃焼器５４用の計量弁４２'と第２予燃焼器５６用の計量弁４２''の動的制御を調整する必要がある。本発明の好適実施例によって利用される特別な制御構造の詳細説明については、以下においてさらに詳細に説明されるであろう。
【００４９】
コントローラ３４（第３図参照）内部に本発明の触媒燃焼制御装置４０を備えた典型的なガスタービン制御構造３８の調整によって、コントローラ３４が触媒燃焼プロセスの運転を連続的にモニターし、調節することができ、同時にタービンガバナーと空気流制御機能を並列管理することができる。このコントローラ３４は、エンジン状態と燃焼器運転を連続的にモニターし、リアルタイム診断を行い、サブシステムが正しく機能していることを確認する。これは各燃焼サブシステムへの燃料供給を管理することによって、正しい触媒活性化温度、タービン加速度、負荷状態下での定常運転、および負荷変動下での正しい動的性能を提供する。タービン運転エンベロプ全体を通して、コントローラ３４は燃焼システムを調節し、同時にプラント・オペレータまたはプラント制御システムの負荷出力および変動需要を満足しながら、最適燃料経済および最小排出ガスを提供する。好適には、このほかに代表的制御機能として、コントローラ３４はまた燃焼システムとタービン内部の多くの機能を正確にモニターするための能力も提供する。コントローラ３４はタービンと燃焼システムを連続的にモニターし、運転データをプラント・オペレータまたはプラント監視制御システム（図示していない）に送信する。このリアルタイム情報はマシンの運転のモニターし若しくは動向を知り、マシンの効率を減少させる可能性のある、または排気排出ガスに悪い影響を与える可能性のある、またはエンジン、制御装置若しくは燃料システムの摩耗若しくは損傷を示す可能性のある微妙な変化を検出することに使用することができる。この情報は、故障探求、経済分析。若しくは予防整備を計画するために使用することもできる。
【００５０】
このほかに、そのリアルタイム制御機能について、コントローラ３４は、正しい運転および触媒燃焼器３２とガスタービン２２の保護に重要な各種のシーケンス機能を管理する。プラント管理者若しくはオペレータからの命令を受けた時点から、コントローラ３４がタービンのスタート／ストップ・シーケンスを始めるまで、コントローラ３４は点火システムおよび始動システムを、上記で説明したように管理する。触媒燃焼コントローラ４０と共同制御において、コントローラ３４はまた燃焼システムを管理し、触媒ウォームアップ・シーケンス、タービン加速シーケンス、需給グリッド周波数への発電機の同期を行い、およびタービン２２の負荷出力を管理する。これらの運転全体を通して、オペレータによって要求される運転条件を達成するために、コントローラ３４は、燃料供給システム（第５図の燃料計量弁４２'、４２''および３６）、トランスジューサ、およびプラント制御システム若しくは遮断弁を連続的にモニターし、個別に調節する。燃焼システム、タービン、若しくは燃料供給システムの任意の部分が規定の範囲内で作動しない場合には、コントローラ３４は故障の原因箇所を明示し、適切な低下と負荷にする。システムの任意の部分が不安全若しくは損傷を引き起こす可能性のあるレベルに達すると、制御装置はエマージェンシ・トリップを引き起こし、また上記で説明したようにターボ機械および触媒システムを保護する。
【００５１】
コントローラ３４は、計量弁４２'、４２''および３６（第５図参照）を通してそれぞれの燃焼サブシステムへの燃料流量の供給を調節する。コントローラ３４が現在圧力、温度および各燃料経路の制御弁位置についての情報を連続的に更新するために各燃料経路に適切な計装装備が備わっている。コントローラ３４は、現在の計器読み値を目標読み値と比較し、ガス調整器４２'、４２''および３６'を調節して遮断弁（図示していない）を定常状態運転に維持し、若しくは負荷変動、負荷外し、若しくは以下においてさらに詳細に説明するであろうようにエマージェンシ・トリップに応答する。ガスタービン制御構造３８および触媒燃焼制御セクション４０の制御アルゴリズム、計装、および燃料システム・ハードウエアのこのユニークな統合を利用することによって、コントローラ３４は、弁位置、燃料ガス圧力、圧力差、およびガス温度をモニターし、各経路を通して供給される精密質量流量を算定し、調整する。
【００５２】
以下は、コントローラ３４によって行われる各種の機能の説明であり、ガスタービン制御構造３８と触媒燃焼器コントローラ４０の統合と動的制御を可能にする。当該技術分野の熟練者若しくは通常の熟練者によって理解できるであろうように、状態フィードバック、計器の読み値、および論理の他の部分からのデータを必要とする。このため、この説明では、論理の機能の説明を提供することを目的とし、特別なシステムの構成は含まない。
【００５３】
触媒燃焼器３２用の制御構造４０の代表的実施例は、特定の参照を行う第６図において、ガスタービン制御構造３８と関連してブロック図の形式で示されている。ガス制御構造３８は燃料デマンド信号７０を生成し、この信号はガスタービンの運転要求条件（すなわち、速度。負荷、など）を維持するために調整される。好適には、ガスタービン制御構造３８は各種の制御パラメータ入力から最低信号出力を選択する最低信号選択回路６２を利用し、燃料供給システム４１（第３図参照）への最終出力を制御する。ガスタービン制御構造３８用の代表的制御変数には、速度制御装置６４、排気ガス温度（ＥＧＴ）制御装置６６、および加速／減速度制御装置６８を含む。ＬＳＳエレメント６２の左側の品目は、並列に作動するいくつかの独立したレギュレータを説明する一連の論理構造を表わし、それぞれはその個々の設定点およびその設定点の経路をフィードバック・トランスジューサ若しくは状態フィードバック計算によって提供する適切な信号との比較が計算され、および設定点を達成するのに適切な必要な出力値を更新する。これらのレギュレータの出力は低信号選択機能６２に接続される。ＬＳＳアルゴリズムは、最低レギュレータの出力値だけを次の触媒燃焼制御構造に送る。とはいえ、レギュレータ設計によっていくつかの変量によって導き出し、実行することができる。一つの典型的なアプローチにおいて、ＬＳＳ装置のほかに、各レギュレータ出力は、触媒燃料計量弁への燃料流量デマンドによって判断される。この手法の代替実施例では、触媒燃焼システムから要求された出口温度によってレギュレータおよびＬＳＳ出力を決めることである。各レギュレータがその個々の出力を変調し、その現設定点条件を満足するように努め、最低出力だけが燃焼器を調整するために使われる。ガスタービン制御技術分野の熟練者によって理解できるであろうように、種々のほかの制御パラメータがガスタービン制御構造のために利用することもでき、ガスタービン制御構造３８の特別な選択は本文書に添付する特許請求の範囲によって確定されるように本発明の範囲を制約するものではない。重要なことは、ガスタービンエンジンの運転要求条件を維持するためにその代表的制御アルゴリズムに応じるように、燃料流量デマンド信号７０はガスタービン制御構造３８によって作られている。
【００５４】
触媒燃焼制御システム４０の好適実施例では、ガスタービン制御構造３８によって作られた、この燃料流量デマンド信号７０を利用し、触媒燃焼器３２のための適正な運転条件を維持する。特に、第６図に示す触媒燃焼制御構造４０の実施例では、燃焼器空気質量流量量を制御ブロック７２において予燃焼器入口温度７４、予燃焼器入口圧力７６、および予燃焼器差圧７８に基づいて計算する。第７図を参照して以下においてさらに詳細に説明されるであろうように、燃焼器内への空気の実際質量流量を算定する際に、触媒燃焼制御構造４０はガスタービン・エンジンコンプレッサの効率にかかわらず触媒燃焼プロセスの間、精密制御を維持することができる。すなわち、触媒燃焼モジュール内への実際の燃焼器空気質量流量を計算することによって、この制御構造４０はガスタービンエンジン自体の寿命若しくは効率に依存しない。
【００５５】
燃焼器空気および質量流量の算定のこの圧力差方法については、第７図に非常に詳細に示している。この図を参照してわかるように、燃焼器空気質量流量の計算は、空気特性の関数、例えば空気の比熱比、空気の比重、同様に予燃焼器開口エリア、予燃焼器入口圧力、予燃焼器入口温度、および予燃焼器排出圧力の関数である。ＬＢＭ／ＨＯＵＲでの燃焼器空気質量流量の代表的な計算は以下のとおりである。
【００５６】
Ｗaircomb＝３９５５．２８９＊ＡＣｄ1＊Ｐ３０＊√［Ｋair＊Ｋsg／（Ｋair−１）＊Ｔ３０］＊Ｒ７a−Ｒ７al］
ここで、ａ＝２／Ｋair
ａｌ＝（１＋Ｋair）／Ｋair
Ｐ３４／Ｐ３０＞Ｐcriticalであれば、Ｒ７＋Ｐ３４／Ｐ３０
Ｐ３４／Ｐ３０＞Ｐcriticalであれば、Ｒ７＋Ｐcritical
Ｐcritical＝（２/(Ｋair+１)）(Kair/Kair-1)
代替計算は以下のとおりに行うこともできる。
【００５７】
Ｗaircomb＝3600＊ＡＣD2＊√(2＊Ｒｈｏ＊（Ｐ３０−Ｐ３４＊（ｇc／１４４）
ここで、Ｒｈｏ＝Ｐ３０/((Ｒ/Ｍ）＊Ｔ３０）
ｇc＝重力加速度（ｆｔ／ｓｅｃ2）
算定された空気質量流量８０、およびガスタービン制御構造３８によって計算された燃料流量デマンド制御信号７０に基づいて、制御ブロック８２は触媒モジュール全体の温度上昇を計算する。この計算８２はまた予燃焼器温度フィードバック信号８４も考慮に入れている。この算定された触媒温度上昇信号８６は、その設定点として予燃焼器コントローラ９２によって利用される最適予燃焼器排出温度９０を決めるために、制御ブロック８８によって利用されている。算定された空気質量流量８０、予燃焼器入口温度７４、第１３図と第１４図を参照して以下に説明するように最適温度設定点９０、および第１予燃焼器燃料流量９８に基づいて、第２予燃焼器に供給される燃料の適切な量が、第１２図を参照して説明されるであろうように目標出口温度を達成するために計算される。閉ループ制御フィードバック８４は、正確な作動点のためにこの見積もり値を調整するために使用される。精密に正しい温度での運転は排出ガスを最小化し、燃料効率を改善する。この算定された値と閉ループ制御出力は、従来のサーモカップルの使用の際に典型的に存在していたすべてのサーモカップルの遅れにもかかわらず、良好な過渡性能を備えている。特に、第１２図に示すように、燃焼器出口温度の計算のための燃料器温度上昇アルゴリズムは、各種の定数、システムで利用する特定の燃料の特性、燃焼器入口温度、上記の燃焼器空気流アルゴリズムに従って計算されたように燃焼空気流量、および燃料流量比の関数である。種々の係数には温度上昇係数を含み、および燃料特性には燃料加熱値およびその分子重量を含む。出口温度とケルビン温度の代表的計算は以下のとおりである。
【００５８】
Ｔexit＝−ａ＋｛ａ2＋（（２＊ｂ）＊（ａ＊Ｔ３０＋０．５＊ｂ＊Ｔ３０2＋（ｙｆ＊Ｈｃ）））｝0.5／ｂ
ここで、ａ＝温度上昇係数（例えば６．６０）
ｂ＝温度上昇係数（例えば１．２４）
ｙｆ＝（Ｗｆ）／ｍｗｆ/((Ｗｆ)/ｍｗｆ）＋（Ｗａcomb／ｍｗａｉｒ）
出口温度とケルビン温度を生じる代替代表的計算は以下のとおりである。
【００５９】
Ｔexit＝−Ｂ＋（Ｂ2−４＊Ａ＊Ｃ）0.5／２＊Ａ
ここで、ａｆ＝［ｂp1+(ｂp2＊ａｆ）］／２
Ｂ＝ａp1+(ａp2＊ａｆ）
ｄＨa＝ａa＊（Ｔrxn−Ｔ３０）＋ｂa／２＊（Ｔrxn2−Ｔ３０2）
ｄＨf＝ａf＊（Ｔrxn−Ｔｆ）＋ｂp／２＊（Ｔrxn2−Ｔｆ2）
Ｃ＝（ｄＨa＋ａｆ＊ｄＨf）-(ａｆ＊ＬＨＶ）−（Ｂ＊Ｔrxn）−（Ａ＊Ｔrxn2）
本発明の実施例において、触媒出口温度に基づく最適予燃焼器設定点の決定は、第１３図に示す。触媒モジュールの算定された出口温度に基づいて、計算が行われ上記で説明したように裂いてき予燃焼器放出温度を決定する。この値は予燃焼器コントローラの設定点に示す。第１３図に示すように、索引テーブル若しくは計算のどちらかで第１３図に従って行うこともできる。代替的には、本発明の実施例は第１４図に示したように触媒空気／燃料比に従って最適予燃焼器設定点を決めることもできる。この代替実施例において、計算は触媒モジュールに供給される算定された空気燃料比に基づいて行われ、最適予燃焼器放出温度を決める。この値はまた予燃焼器コントローラの設定点に導き、第１４図に従って索引テーブル若しくは計算から構成される。
【００６０】
本質的に、触媒流量デマンドは現出口温度が計算される一連の計算によって処理される。この触媒出口温度計算の結果は、最適触媒入口温度を計算するために使用される。予燃焼器設定点と測定された温度の間の差に基づいて、燃焼器空気流の計算予測とともに、予燃焼器設定点を達成するように要求された燃料流量は再計算され、予燃焼器燃料制御弁(複数)の出力が適切に修正される。トランスジューサの読み値はまたモニターされ、予燃焼器の定常状態出力が設定点に一致するために精確に調整される。したがって、プラント出力需要の変化につれて、若しくは任意の中間プロセスの可変変更につれて、デジタル制御システムは必要な触媒燃料流量出力を連続的に再計算をし、新しい予燃焼器設定点を再計算し、出力を予燃焼器制御弁(複数）と触媒燃料弁(複数）に必要に応じて導き、プラント要求条件に一致する。需要の変化を検出した後直ちに燃料弁出力を再修正することによって、予燃焼器および触媒燃焼システムは非常に迅速に目標レベルまで調節され、燃焼システムの迅速な過渡応答をもたらす。この迅速な動的性能は、発電パッケージ、若しくは推進システムのような需要若しくは負荷の変化に迅速に応答する必要のあるシステムにとって理想的なものである。
【００６１】
第１および第２予燃焼器の両方を利用するシステムにおいて（第１予燃焼器は主に第２予燃焼器のパイロットフレームとして使用する）、計算ブロック９６はこの第１予燃焼器への燃料流量デマンド９８を制御することが含まれる。計算は算定された燃焼器空気質量流量を利用し、第１燃焼器からの安定なパイロットフレームと最適な排出ガスを確保する。当該第１予燃焼器が利用されるとき、その出力燃焼流量デマンド信号９８はまた予燃焼器コントローラ９２によって考慮され、触媒燃焼器の予燃焼器・セクションにそこから引き起こされる温度上昇を説明する。これらの制御信号９８、９４、７０は、燃料計量弁４２'、４２''、３６を調整するために使われ、それぞれ第５図に示す。
【００６２】
以前のセクションで指摘したように、プラントで要求される空気燃料比の範囲全体を通して、予燃焼器出口温度の調整によって、触媒モジュールの最適性能が得られる。触媒入口への予燃焼器の排出は比較的近接した関係にあるため、これら二つの温度は値が非常に近接している。したがって予燃焼器排出温度を制御することによって、触媒入口温度もまた制御される。このプロセスは、プラットフォーム内部で処理されるように組み込まれた一連の関数若しくはアルゴリズムを利用して動的制御システムによって行われ、その手段によって、内部流れ動力学の数学的表現、熱力学的燃焼過程の単純化モデル、および種々の処理温度と圧力をモニターする種々の温度センサからの読み値が、設計トラジェクトリによって要求される設定値まで予燃焼器出力を連続的にトリムするための使用される。予燃焼器出力温度のこの調節によって、空気燃料比のその運転範囲全体を通して触媒燃焼システムの最適性能を生み出す。
【００６３】
本発明のさらなる機能は、その設計限界若しくは限界以下で最大予燃焼器出口温度を制限することである。この機能は、全体の寿命および性能が許容できるサービス寿命にわたって維持されるように、予燃焼器のサブシステムの下流の構造的および機能的な完全性が本発明の運転によって保護されていることを、保証する。予燃焼器出口温度制限機能は、予燃焼器出口温度の手段を予燃焼器設定点Ｔｓｐ、および一連の最大限界と比較することによってもたらされる。論理シーケンスの一例は以下のとおりである。
【００６４】
Ｔｓｐ−Ｔ３４の絶対値が＞Ｔ３４追随限界＃１であれば、Ｔ３４制御エラー＝真
ここで、Ｔｓｐは予燃焼器設定点、Ｔ３４(測定値）は予燃焼器出口温度、および追随限界＃１は設定点と測定された予燃焼器温度の間の設定最大許容である。本発明の好適実施例において、予燃焼器設定点が変化する場合、過渡運転の間、広い許容差が認められように、追随許容は増加する。Ｔ３４制御エラーは、制御装置内部で論理フラッグとして使われる出力変数の一例であり、予燃焼器温度出力が受入れ可能許容範囲内にないことを指示する。
【００６５】
さらなる論理シーケンスによって、最大金属限界を超えないことが保証される。この論理シーケンスの一例は、以下のとおりである。
【００６６】
Ｔ３４＞Ｔ３４温度限界＃１であれば、Ｔ３４温度超過＝真
ここで、Ｔ３４（測定値）は予燃焼器出口温度であり、Ｔ３４温度限界は、予燃焼器出口温度の設定された最大限界であり、およびＴ３４温度超過は、予燃焼器温度が許容限界を超えていることを指示するために制御装置内部に論理フラッグとして使用する出力変数の一例である。
【００６７】
出口温度がこの限界に達し、若しくは超える場合、動的制御システムはアラーム(警報)若しくはトリップ・シーケンスを起動する。さらに、動的制御システムは、この最大出口温度を結果として生じるレベルを超える燃料流れを増加せず、したがって、メインガス・ミキサー、触媒モジュール、および高温ガス経路内の他のコンポーネントがさらに予燃焼器からの温度上昇を何ら受けないように保護する。予燃焼器出口温度が最大設計限界を超えて、燃焼器に損傷が起きる可能性のある温度以上であれば、論理フラッグが使われ、エマージェンシ・トリップを起動する。このトリップ・シーケンスは動的制御システムによって実行され、燃料弁のすべての経路を即座に閉鎖し、したがって燃焼プロセスを終了させる。非・均一性条件(複数)の状態はシステム内にラッチされ（ハイ状態で維持）、バッファに入れられ、そいて操作パネルに伝達され、その結果、シャットダウンを引き起こす条件が知られることになる。
【００６８】
本発明のさらなる機能は、算定された空気／燃料比の関数として触媒モジュールによって発生する温度上昇の近似を連続的に作り出す一連のアルゴリズムを計算することである。この温度上昇、若しくは代替的に空気燃料比は触媒モジュールを通過し、最適予燃焼器温度を決定するために使用され、触媒モジュールの最高の性能に影響を及ぼす。したがって、動的制御システムは、予燃焼器と触媒モジュール・サブシステムの組み合せによって作り出される温度上昇を管理し、プラントの要求条件に従って、燃焼システムの最終出力を調節し、一方、予燃焼器の性能を同時にそして動的に調整し若しくは最適化することによって、触媒モジュールの最適の性能を生み出す。ブロック図は、最適予燃焼器設定値を決定するための論理構造を、第１３図と第１４図に示している。
【００６９】
本発明のさらなる機能は、その設計限界において若しくはそれ未満において最大触媒出口温度Ｔ３８、および最大燃焼器出口温度ＴＡＤを制限することである。これらの機能は、本発明によって制御されるように、種々の燃焼サブシステムへの燃料の供給の精密な調節によって効果的にもたらされ、内部サブシステム燃料温度が２４００°Ｆ未満に維持され、したがって、ＣＯおよびＮＯｘ生成物の放出を減少する。この機能は、計算された出口温度の出力を一つまたはそれ以上の設定された限界と比較することによって生み出されている。論理シーケンスの一例は以下のとおりである。
【００７０】
Ｔｅｘｉｔ＞出口限界＃１であれば、出口超過温度＃１＝真
ここで、Ｔｅｘｉｔ（計算値）は計算された燃焼器出口温度であり、設計限界＃１は、燃焼器出口温度の設定された最大許容であり、およびＭａｘ．出口温度限界＃１は、予燃焼器温度均一性が許容限界内にないことを指示し、制御装置内部に論理フラッグとして使用する一つの代表的な出力変数である。
【００７１】
出口温度がこの限界に達したか、若しくは超えたとき、本発明のシステムはアラーム(警報）若しくはトリップ・シーケンスを起動することができる。さらに、動的制御システムは、この最大出口温度を引き起こすレベルを超えて燃料流れを増やさず、したがって、触媒モジュール、バーンナウト・ゾーン、および高温ガス経路内の他のコンポーネントがさらに燃焼システムからの温度上昇を何ら受けないように保護する。出口温度が最大設計限界を超えて、燃焼器に損傷が起きる可能性のある温度以上であれば、分離した、より高い限界が使用され、エマージェンシ・トリップを起動する。このトリップ・シーケンスは動的制御システムによって実行され、燃料弁のすべての経路を即座に閉鎖し、したがって燃焼プロセスを終了させる。非・均一性条件(複数)の状態はシステム内にラッチされ（ハイ状態で維持）、バッファに入れられ、そいて操作パネルに伝達され、その結果、シャットダウンを引き起こす条件が知られることになる。
【００７２】
このほかに、本発明の好適実施例では、触媒の上流領域でプレミックス・ガスがスパーク、若しくはプレミックスされた触媒ガスの点火を引き起こすのに十分なエネルギを持つ他の非均一性温度源にさらされた場合、起きるであろうオート・イグニッションの生起の有無を確認するために触媒入口温度センサが使用される(備わっているとき)。オート・イグニッション・シーケンスが検出された場合、このリーン・プレミックス燃料の燃焼が消えるように、触媒燃料流れは定格需要の可変部分によって直ちに減少する。予燃焼器若しくはミキシング・ゾーンで持続燃焼が存在することを触媒入口温度、若しくは予燃焼器出口温度センサが指示する場合、および触媒燃料流れの減少がこの問題を除去するのに失敗した場合、動的制御システムはすべての燃料制御弁を閉鎖することによってセーフティ・シャットダウンを起動し、したがって、燃焼プロセスを停止する。しかし、触媒段間温度が適切なレベルまで減少した場合、オート・イグニッション事象の後、触媒燃料流量はプラントの要求条件を満足するために必要な十分な値まで復帰するであろう。これらのオート・イグニッション検出および回避機能は、わずかに、出力が瞬間的に一時的な低下するが、プラントの全体運転は維持されるように、全く迅速に実行できる。
【００７３】
触媒燃焼制御装置４０の代替の好適な実施態様が図８に図示されている。この代替の実施態様においては、制御装置４０は、触媒燃焼器への空気の質量流量を、予燃焼バーナ入り口温度７４，予燃焼バーナ出口温度１００，および全予燃焼バーナ燃料流量１０２に基づいて、計算ブロック７２’において計算する。一旦、この空気の質量流量８０が計算されると、この触媒燃焼制御装置４０は、上述の様に作動する。本発明のこの実施態様における燃焼器空気流の計算は、温度上昇法を利用するものであり、その機能は図９に図示されている。図９からわかる様に、燃焼器空気質量流量の計算は、様々な定数、燃料の性質、燃料の流量、予燃焼バーナ入り口温度、および予燃焼バーナ出口温度の関数である。これらの定数には温度上昇係数が含まれ、燃料の性質にはその比重と共に燃料の発熱量も含まれる。図９による代表的な計算は以下の通りである。
【００７４】
Waircomb=WF／SG＊（２＊ｂLHV)−［（ａ＋ｂ＊Ｔ３４）2−（ａ＋ｂ＊Ｔ３０）2］／［（ａ＋ｂ＊Ｔ３４）2−（ａ＋ｂ＊Ｔ３０）2］
ここで、
aは温度上昇係数（例えば、６．６０）、
ｂは温度上昇係数（例えば、０．００１２４）である。
【００７５】
これに代わる代表的な計算は、以下のように実行することもできる。
【００７６】
Waircomb=Ｗｆ／ａｆ
ここで、
af=（ｄＨa＋ｄＨP1）／（ＬＨＶ−ｄＨf−ｄＨP2）
dHa=ａa＊（Ｔｒｘｎ−Ｔ３０）＋ｂa／２＊（Ｔrxn2−Ｔ３０2）
dHf=ａf＊（Ｔｒｘｎ−Ｔf）＋ｂf／２＊（Ｔrxn2−Ｔf2）
dHP1=ａP1＊（Ｔ３４−Ｔｒｘｎ）＋ｂP1／２＊（Ｔ３４2−Ｔrxn2）
dHP2=ａP2＊（Ｔ３４−Ｔｒｘｎ）＋ｂP2／２＊（Ｔ３４2−Ｔrxn2）
である。
【００７７】
本発明の代替の好適な実施態様がさらに図１０に図示されている。図からすぐわかる様に、触媒燃焼制御装置４０の基本的制御構造は、上述の２種類の実施態様と変わらない。しかし、この実施態様においては、計算ブロック７２’’は、燃焼器空気質量流量を、圧縮機速度１０４、大気温度１０６、および大気圧の関数として推定する。具体的には、図１１は、圧縮機またはプラントモデル法に基づく燃焼器空気流の機能ブロック計算を図示している。図１１からわかる様に、この方法は、燃焼器空気質量流量を、様々な定数、圧縮機速度、大気温度、および規準化されたプラント負荷出力の関数として計算する。この実施態様による代表的な計算は、次の通りである。
【００７８】
Waircomb=［（Ｋcomb／（１００＊Ｔｂｉａｓ））3＊｛ａ＊（Ｎ／Ｔｂｉａｓ）2＋ｃ＊（Ｎ／Ｔbias）｝］−Ｌｂｉａｓ
ここで、
Lbias=ｄ＋ｅ＊Ｌ
Tbias=（Ｔａｍｂ／Ｔｓｔｄ）0.5
である。
【００７９】
これらの代わりに、燃焼器空気質量流量は、適切な流量計からの燃焼器空気質量流の測定値から計算することもできる。
【００８０】
この実施態様においては、計算ブロック７２’’は、与えられた圧縮機効率と作動変数に基づいて、燃焼器空気質量流量の推定のみを行う。このモデルに基づく空気質量流量の計算は、新品で、かつ良く保守されているガスタービンエンジンに対しては適切な精度を与える。しかし、そのガスタービンエンジンが老化するにしたがって、その実際の効率は、その実際の作動効率といくらか異なり、その結果、計算ブロック７２’’からの推定燃焼器空気質量流量８０は、触媒燃焼器に流入する実際の燃焼器空気質量流量とは若干異なる。この分野の当業者によって認識されているように、燃焼器空気質量流量を実際に計算する図６と図８の実施態様は、図１０の実施態様以上の高い性能を提供するであろう。
【００８１】
本発明の好適な実施態様においては、多重空気流アルゴリズムが、この動的制御システム内において、同時に取り扱われる。図１１に関して記述した理想的圧縮機モデルは、最初に、据え付け後短期間における、かつ既知の動作条件設定の下における燃焼器圧力差と温度上昇アルゴリズムの結果に対して、較正される。圧縮機モデルに基づいた空気流は、実際のハードウエアの磨耗または劣化に起因する減少を考慮していないので、それは常に圧縮機の「新品」性能を表す出力の組を与える。圧縮機が、汚れや磨耗によって劣化するに従い、燃焼器空気流量は、上述した代替の方法を用いて計算すると、空気流量に違いが出て来る。理想化された空気流と実測した空気流との比率を計算し、かつ予想される偏差に制限を設けることによって、もし空気流量が所定の限界以下に減少したならば、警報を発することができる。その論理構造の例は以下の通りである。
【００８２】
ここで、WaircombΔp orΔT / Waircombmodel ＜ Wair Tolerance #1  の場合、
Comb. Air Degradation=真である。
【００８３】
ここで、Waircombmodel ＝圧縮機モデルによって得られた燃焼器空気流量、
WaircombΔp orΔT ＝圧力差または温度上昇法によって得られた燃焼器空気流量、
Wair Tolerance #1＝理想的圧縮機空気流量と実測した圧縮機空気流量の比率の予め設定された最小値、および
Comb. Air Degradation=制御装置内で論理フラグとして用いられる標本出力変数であり、測定された圧縮機空気流量が許容できる限界内に無いことを示すものである。
【００８４】
図１５は、さらに詳細に、１次燃料流量９６に対する計算ブロックを、予燃焼バーナ制御装置ブロック９２と共に説明している。図１５に示されている代表的実施態様からわかる様に，予燃焼バーナ制御装置９２は、全予燃焼バーナ燃料流量計算ブロック９１と閉ループ制御アルゴリズム９３を含み、これらは加え合わせ点９５で加算される。１次制御弁に対する燃料流量要求量もまた、加え合わせ点９５において、前記合計量から差し引かれ、２次制御弁への最終燃料流量要求量を計算する。機能ブロック９１における全予燃焼バーナ燃料流量に対する代表的計算は次の通りである。
【００８５】
Ｗf=ＷＡcomb＊SG＊［（ａ＋ｂ＊Ｔｓｐ）2−（ａ＋ｂ＊Ｔ３０）2］／（２＊ｂ＊ＨＣ）−［（ａ＋ｂ＊Ｔｓｐ）2−（ａ＋ｂ＊Ｔｉｎ）2］
ここで、
ａ＝温度上昇係数（例えば６．６０），
ｂ＝温度上昇係数（例えば１．２４）
である。
【００８６】
この代わりに、全予燃焼バーナ燃料流量を次のように計算することも出来る。
【００８７】
Ｗf＝Ｗａcomb＊ＷＧ＊ａｆ
ここで、
af=（ｄＨa＋ｄＨP1）／（ＬＨＶ−ｄＨf−ｄＨP2）
dHf=ａf＊（Ｔｒｘｎ−Ｔf）＋ｂf／２＊（Ｔmx2−Ｔf2）
dHP1=ａP1＊（Ｔｓｐ−Ｔｒｘｎ）＋ｂP1／２＊（Ｔｓｐ2−Ｔrxn2）
dHP2=ａP2＊（Ｔｓｐ−Ｔｒｘｎ）＋ｂP2／２＊（Ｔｓｐ2−Ｔrxn2）
である。
【００８８】
本発明の図示された実施態様の各々は、１次および２次の予燃焼バーナの両者に対する必要燃料流量を計算して、この触媒燃焼器の最適作動特性を確保する。ガスタービンエンジンが高いレベルで作動している場合は、ガスタービンエンジン制御装置３８からの燃料流量要求によって生成された高燃空比混合気は、燃料流量の増加によって使用されるエネルギの増大によって高い温度上昇が触媒ベッドを横断して発生する。このような条件の期間中、触媒燃焼制御装置４０は、その中の空気流の予燃焼バーナ温度を低下させ、燃料流量の増加によって発生したエネルギの増加を補償する。これによって、触媒ベッド全体にわたって最適な燃焼条件が維持されると共に、プラントに必要な燃焼温度が維持される。一方、軽負荷の期間中、または無負荷条件の期間中は、希薄な燃料供給によってもたらされる触媒ベッドを横断して発生する最低温度上昇に起因する触媒入り口温度を上昇させることによって、最適触媒燃焼が維持される。本発明の触媒燃焼制御装置４０は、無負荷から全負荷までの全範囲にわたって、それらの中間の全ての動的動作点に対してと同様に、このシステムの１次と２次の予燃焼バーナの両者に対する燃料流量を制御することによって、補償を実行する。好適には、１次の予燃焼バーナは、上述のように、２次の予燃焼バーナに対するパイロットバーナとして作用し、必要な入り口空気温度加熱の約２０から３０％を分担し、一方、２次の予燃焼バーナは、入り口空気温度加熱の残りを分担し、触媒ベッド内の最適触媒燃焼を維持する。
【００８９】
この触媒燃焼制御装置４０は、燃焼器およびタービンの解析的モデルを利用していて、モデルによって予想した値と実測した値との差は、このシステム内のセンサーの故障を知らせるのに利用することができる。この解析的モデルは、また、予測制御に対しても使用することができ、このシステムの過渡動作中におけるセンサーの時間遅れの影響を減少させる手助けとなる。さらに、解析的モデルの予測値と実測値との差は、燃焼器の使用寿命に対するクロスチェックとして利用することが出来、ガスタービンエンジンの効率の低下や修理サービスの必要性を示す。
【００９０】
１次および２次の予燃焼バーナの両者を、または、その代わりに、パイロット予燃焼バーナ、１次予燃焼バーナ、および２次の予燃焼バーナの３者（追加の予燃焼バーナは、予燃焼バーナ全体としてのターンダウンを改善するか、または後段の予燃焼バーナの燃焼効率を改善するために追加される。）を使用するシステムにおいては、パイロットおよび/または１次の制御アルゴリズムの様々の出力からの燃料流量は、２次予燃焼バーナの流量要求量から差し引かれる。このように、追加された上流側の予燃焼バーナは、その中で燃焼される燃料の量に比例して、ある程度の追加の温度上昇を引き起こすから、図１５に示すように、燃料の追加量は、２次の燃料流量出力から差し引くことができる。
【００９１】
本発明の多数の変形例や代替の実施態様は、これまでの記述を考慮すれば、当業者には明白になろう。従って、本明細書の記述は、単に例として解釈されるべきであり、当業者に対して、本発明を実行するための最良の形態を教示するためのものである。構造と構成の細部は、本質的に、本発明の精神から離れることなく変更することが出来るし、添付された特許請求の範囲内に入るすべての変形例の排他的使用権が留保されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃焼プロセスで生成されるＮＯｘ産出対反応温度を示すグラフである。
【図２】  従来の火炎燃焼器を利用した従来技術のガスタービンシステムの概略図である。
【図３】  ガスタービンシステムの概略表示であり、本発明の教示による触媒燃焼システムと、ダイナミック制御システムと、燃料配送システムとの間の基本的相互接続を図示する。
【図４】  流路に沿う種々の物理的燃焼要素の関数としての温度勾配に対する触媒燃焼システムのそれら要素の物理的配置に関する、触媒燃焼システムの概略表示である。
【図５】  第1と第２の予燃焼器を有する触媒燃焼器と、本発明の実施の形態により制御可能な触媒燃焼の多段ステージとを利用したガスタービンシステムを略示するブロック図である。
【図６】  本発明の実施の形態を説明するブロック制御図である。
【図７】  本発明の実施の形態による燃焼器空気質量流量の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図８】  本発明の代替の実施の形態を説明するブロック制御図である。
【図９】  本発明の代替の実施の形態による燃焼器空気質量流量の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図１０】  本発明の更なる代替の実施の形態を説明するブロック制御図である。
【図１１】  本発明の更なる代替の実施の形態による燃焼器空気質量流量の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図１２】  本発明の実施の形態による燃焼器出口温度の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図１３】  本発明の実施の形態による最適予燃焼器設定値の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図１４】  本発明の代替の実施の形態による最適予燃焼器設定値の計算をより詳細に説明する部分制御ブロック図である。
【図１５】  本発明の実施の形態による予燃焼器燃料配送の計算を説明する部分制御ブロック図である。
【符号の説明】
２０…コンプレッサ、２２…ガスタービン、２４、２６…軸、３０…高温圧縮空気、３２…触媒燃焼器、３４…コントローラ、３６…計量弁、４０…動的制御システム、４１…燃料送出しシステム、４２'、４２''…予燃焼器制御弁、４３'、４３''、４３'''、４３''''、４３''…遮断弁、４６…入力空気温度制御セクション、４７…メインガス・ミキシングシステム、４８…燃料−空気混合部分、５０…触媒モジュール、５２・・燃焼バーナゾーン、５４、５６…予燃焼器、５８，６０…触媒モジュール、６２…最低信号選択回路、６４…速度制御装置、６８…加速／減速度制御装置、７０…燃料デマンド信号、７６…予燃焼器入口圧力、７８…予燃焼器差圧、８０…空気質量流量、８４…閉ループ制御フィードバック、９２…予燃焼器コントローラ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004454153.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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