(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンの排気ガスストリーム中のエミッション低減システムを提供する。【解決手段】ガスタービンシステム１５は、フィード酸化剤ストリーム１４を受け取り、加圧した酸化剤ストリーム１８を燃焼室２０に供給する圧縮機１６と、燃焼室２０から吐出ストリーム２２を受け取り、二酸化炭素を含有する排気ストリーム３０及び電気エネルギーを生成するよう構成された膨張器２４と、を含む。本システムは更に、再循環ストリームを生成するよう構成された排気ガス再循環システム５４を含み、該再循環ストリームが、新たな酸化剤１２と混合されてフィード酸化剤ストリーム１４を生成する。排気ガス再循環システム５４は、燃焼パラメータに関連する受け取ったフィードバックに基づいてパイロット比を制御する排気ガス再循環制御ループ６０を含む。排気ガス再循環制御ループ６０は、最小比のＮＯｘを維持するのに必要なパイロット比を制御する。【選択図】図１
2013213496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電システム（１０）であって、
ガスタービンシステム（１５）を備え、該ガスタービンシステムが、
燃料ストリーム（１３）を燃焼するよう構成された燃焼室（２０）と、
フィード酸化剤ストリーム（１４）を受け取り、加圧した酸化剤ストリーム（１８）を前記燃焼室（２０）に供給する圧縮機（１６）と、
前記燃焼室（２０）から吐出ストリーム（２２）を受け取り、二酸化炭素を含有する排気ストリーム（３０）及び電気エネルギーを生成するよう構成された膨張器（２４）と、
を含み、前記発電システム（１０）が更に、
排気ガス再循環システム（５４）を備え、該排気ガス再循環システムが、
前記排気ストリームを受け取って再循環ストリーム（５２）を生成するよう構成され、該再循環ストリーム（５２）が新たな酸化剤（１２）と混合されてフィード酸化剤ストリーム（１４）を生成する熱回収蒸気発生器（３８）と、
負荷圧力、排気ガス再循環のパーセンテージ及び前記燃焼室（２０）における燃焼温度のうちの少なくとも１つに関連するフィードバックを受け取って、前記フィード酸化剤ストリーム（１４）のパイロット比を制御するよう構成された排気ガス再循環制御ループ（６０）と、
を含む、システム。
【請求項２】
前記ガスタービンシステム（１５）が、部分予混合モードで作動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ガスタービンシステム（１５）が、完全予混合モードで作動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記排気ガス再循環制御ループ（６０）が、ＮＯｘ生成物を最小限にし、部分負荷条件での火炎安定性を改善するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記排気ストリームの最大５０％が前記圧縮機（１６）にリサイクルされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記排気ストリームを第１の分割ストリーム（３４）及び第２の分割ストリーム（３６）に分割するよう構成されたスプリッター（３２）を更に備え、該スプリッター（３２）がＣｏａｎｄａエジェクタを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記熱回収蒸気発生器（３８）が、前記第１の分割ストリーム（３４）を受け取って、冷却した第１の分割ストリーム（４０）を生成するよう構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記冷却した第１の分割ストリーム（４０）及び前記第２の分割ストリーム（３６）が前記再循環ストリーム（５２）を生成する、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記排気ガス再循環制御ループ（６０）が、燃焼パラメータフィードバックを受け取るよう構成されたモデルベース制御機構を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
低ＮＯｘエミッションで発電する方法であって、
フィード酸化剤（１４）を加圧して、圧縮機（１６）内で加圧した酸化剤ストリーム（１８）を生成するステップと、
燃料ストリーム（１３）及び前記加圧した酸化剤ストリーム（１８）を燃焼室（２０）にて燃焼し、吐出ストリーム（２２）を生成するステップと、
前記燃焼室（２０）からの前記吐出ストリーム（２２）を膨張させて、二酸化炭素を含有する排気ストリーム（３０）及び電気エネルギーを生成するステップと、
前記排気ストリーム（３０）から熱を回収し、再循環ストリーム（５２）を生成するステップと、
前記再循環ストリーム（５２）を新たな酸化剤（１２）と混合し、フィード酸化剤ストリーム（１４）を生成するステップと、
排気ガス再循環制御ループ（６０）のモデルベース制御機構（６４）により受け取られる複数の燃焼器パラメータに関するフィードバックに基づいてパイロット比を制御するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に、エミッション低減に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンにおけるエミッション低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、本質的に燃焼エンジンの排気ガスストリームにおいて見られる主要な汚染物質である。窒素酸化物は、生物に有害な酸性雨を引き起こすことが知られている。ＮＯｘエミッションを低減するため、限定ではないが、完全予混合モードで作動する場合の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、拡散燃焼における蒸気添加、再熱燃焼及び選択触媒還元（ＳＣＲ）などの幾つかのエミッション低減技術が利用されてきた。
【０００３】
乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）予混合燃焼において、例えば、燃料は、燃焼器に導入される前にフィード酸化剤ストリームが混合される。このような場合、燃料は、燃焼空気と均一に混合され、利用可能な過剰空気は火炎温度を低温に保つのに役立つ。低温の火炎温度は、ＮＯｘ形成を低減する。
【０００４】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、特に内燃エンジン、又は通常は燃料及び空気が拡散又は部分的予混合モードで燃焼する炉用途において、ＮＯｘ低減の有望な方法であった。排気ガス再循環（ＥＧＲ）では、排気ガスストリームの一部がフィード酸化剤ストリームに再循環され、フィード酸化剤ストリーム中の酸素濃度を効果的に低減する。燃焼器中に過剰な酸素がないことでＮＯｘ形成が低減される。
【０００５】
拡散火炎への蒸気添加は、拡散火炎温度を所望限界まで急冷し、結果としてＮＯｘの形成を低減する。選択的触媒還元（ＳＣＲ）では、例えば、アンモニアなどの還元剤を利用して、排気ガスストリーム中の窒素酸化物を窒素元素に還元する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のエミッション低減技術を利用することにより、排気ガスストリーム中のＮＯｘ濃度は低減される。しかしながら、よりクリーンな環境及び更に厳しいエミッション規制に対する関心が高まるにつれて、排気ガスストリーム中のＮＯｘ濃度を更に低減することが極めて望ましい。
【０００７】
従って、上述の課題の１つ又はそれ以上に対処するエミッション低減技術の改善に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施形態によれば、発電システムが提供される。本システムは、ガスタービンシステム及び排気ガス再循環システムを含む。ガスタービンシステムは、燃焼室、圧縮機、及び膨張器を含む。燃焼室は、燃焼ストリームを燃焼するよう構成される。圧縮機は、フィード酸化剤ストリームを受け取り、加圧した酸化剤ストリームを燃焼室に供給するよう構成されている。膨張器は、燃焼室から吐出ストリームを受け取り、二酸化炭素を含有する排気ストリーム及び電気エネルギーを生成するよう構成される。排気ガス再循環システムは、熱回収蒸気発生器及び排気ガス再循環ループを含む。熱回収蒸気発生器は、蒸気ストリームを受け取り、再循環ストリームを生成するよう構成され、該再循環ストリームは、新たな酸化剤と混合されてフィード酸化剤ストリームを生成する。排気ガス再循環制御ループは、負荷圧力、排気ガス再循環のパーセンテージ、燃焼器出口におけるＮＯｘ及びＣＯ2のエミッション、及び燃焼室における燃焼温度のうちの少なくとも１つに関連するフィードバックを受け取り、フィード酸化剤ストリームのパイロット比を制御するよう構成される。
【０００９】
別の実施形態によれば、発電システムが提供される。本システムは、ガスタービンシステム及び排気ガス再循環制御ループを含む。ガスタービンシステムは、燃焼室、圧縮機、及び膨張器を含む。燃焼室は、燃焼ストリームを燃焼するよう構成される。圧縮機は、フィード酸化剤ストリームを受け取り、加圧した酸化剤ストリームを燃焼室に供給するよう構成されている。膨張器は、燃焼室から吐出ストリームを受け取り、二酸化炭素を含有する排気ストリーム及び電気エネルギーを生成するよう構成される。排気ガス再循環システムは、熱回収蒸気発生器及び排気ガス再循環制御ループを含む。スプリッターは、排気ストリームを第１の分割ストリーム及び第２の分割ストリームに分割するよう構成される。熱回収蒸気発生器は、第１の分割ストリームを受け取り、冷却した第１の分割ストリームを生成するよう構成され、冷却した第１の分割ストリームの一部は、第２の分割ストリームと混合されて再循環ストリームを生成し、再循環ストリームは、新たな酸化剤と混合されてフィード酸化剤ストリームを生成する。排気ガス再循環制御ループは、負荷圧力、排気ガス再循環のパーセンテージ、燃焼器出口におけるＮＯｘ及びＣＯ2のエミッション、及び燃焼室における燃焼温度のうちの少なくとも１つに関連するフィードバックを受け取り、フィード酸化剤ストリームのパイロット比を制御するよう構成される。
【００１０】
別の実施形態によれば、低ＮＯｘエミッションで発電する方法が提供される。本方法は、フィード酸化剤を加圧して、圧縮機内で加圧した酸化剤ストリームを生成するステップと、燃料ストリーム及び加圧した酸化剤ストリームを燃焼室にて燃焼し、吐出ストリームを生成するステップと、燃焼室からの吐出ストリームを膨張させて、二酸化炭素を含有する排気ストリーム及び電気エネルギーを生成するステップと、排気ストリームから熱を回収し、再循環ストリームを生成するステップと、再循環ストリームを新たな酸化剤と混合し、フィード酸化剤ストリームを生成するステップと、排気ガス再循環制御ループのモデルベース制御機構により受け取られる複数の燃焼器パラメータに関するフィードバックに基づいてパイロット比を制御するステップと、を含む。
【００１１】
本開示の他の目的及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明並びに添付の請求項を読めば明らかになるであろう。本出願のこれら及び他の特徴並びに改善点は、当業者であれば、複数の図面及び添付の請求項と共に参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【００１２】
本開示の上記及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】１つの実施形態による、排気ガス再循環制御ループを含むガスタービンエンジンの例示的なエミッション性能改善システムのブロック図。
【図２】排気ガス再循環の異なるレベルのＣＯ2濃度の傾向を示す例示的なグラフ表現。
【図３】パイロット燃焼での排気ガス再循環の異なるレベルのＮＯｘ濃度の傾向を示す例示的なグラフ表現。
【図４】完全予混合燃焼にける低圧でのＮＯｘ生成物に対するＣＯ2酸化剤の作用を示す例示的なグラフ表現。
【図５】完全予混合燃焼にける大気圧でのＮＯｘ生成物に対するＣＯ2酸化剤の作用を示す例示的なグラフ表現。
【図６】低圧でのＮＯｘ生成物に対する排気ガス再循環の作用を示す例示的なグラフ表現。
【図７】高圧でのＮＯｘ生成物に対する排気ガス再循環の作用を示す例示的なグラフ表現。
【図８】３５％排気ガス再循環でのＮＯｘ生成物に対する圧力の作用を示す例示的なグラフ表現。
【図９】３５％排気ガス再循環及び酸化剤中の一定ＣＯ2パーセンテージレベルでのＮＯｘ生成物に対する圧力増大の作用を示す例示的なグラフ表現。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下で詳細に説明するように、本開示の実施形態は、エミッション性能を改善するシステム、並びにガスタービンの排気ガスストリーム中の窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減するようガスタービンを運転する方法を提供する。本明細書で使用される用語「エミッション性能の低減」とは、ガスタービンの排気ガスストリーム中のＮＯｘ濃度の低減を意味する。用語「ＥＧＲ」は、ガスタービンエンジンにおける排気ガス再循環を指す。排気ガス再循環において、ガスタービンからの排気ガスの一部は、タービンの入口に再循環され、この排気ガスの一部は、空気などの新たな酸化剤と配合された後、タービンシステムの燃焼室に導入される。結果として、燃焼に使用される配合酸化剤は、従来の酸化剤と比べて酸素含有量が少なく、燃焼室から放出された際に低ＮＯｘエミッションをもたらす。加えて、燃焼プロセスで発生する二酸化炭素は、排気ガスの一部がタービンシステムに再循環されると濃縮され、この再循環により下流側でのＣＯ2分離プロセスが強化される。
【００１５】
上述のように、排気ガス再循環は、通常は燃料及び空気が拡散又は部分的予混合モードで燃焼する用途において、ＮＯｘを低減する魅力的な方法である。現在では、排気ガス再循環は、ＣＯ2回収発電プラントにおける近道であると考えられている。ガスタービン用途において排気ガス再循環を利用すると、スタックでのＣＯ2濃度が増大することが分かっており、分離コストの低減及び分離設備の縮小につながる。他方、ＤＬＮ燃焼システムを利用するガスタービンは、特に完全予混合モードで作動したときに低エミッションであることで良く知られている。本明細書で開示されるように、排気ガス再循環とＤＬＮ燃焼システムとの統合は、更なるＮＯｘ低減をもたらすことができる。
【００１６】
本発明のシステムは、複合ＤＬＮ／ＥＧＲシステムを提供し、ガスタービンの圧縮機入口に排気ガスストリームの一部を再循環するための排気ガス再循環制御ループを付加して、この排気ガス再循環制御ループが、受け取ったＥＧＲ％フィードバック、燃焼温度、及び負荷圧力に基づいてパイロット比を制御する。これらの要因を制御する能力により、火炎安定性が向上し、ＮＯｘエミッションを最小値に維持することができる。
【００１７】
ここで図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１５を有する例示的な発電システム１０を示している。ガスタービンシステム１５は、燃料ストリーム１３を燃焼するよう構成された燃焼室２０と、フィード酸化剤ストリーム１４を受け取り、加圧した酸化剤ストリーム１８を燃焼室２０に供給するよう構成された圧縮機１６とを含む。タービンシステム１５は更に、燃焼室２０から吐出ストリーム２２を受け取り、二酸化炭素を含む排気ストリーム３０と、発電機２８を通じて電気エネルギーとを生成するよう構成された膨張器２４を含む。圧縮機１６及び膨張器２４は通常、共通のシャフト２６を通じて結合される。発電システム１０は更に、任意選択的に後付け可能ユニットとして構成できる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム５４を含む。排気ガス再循環システム５４は、排気ストリーム３０を第１の分割ストリーム３４及び第２の分割ストリーム３６に分割するよう構成されたスプリッター３２を備える。排気ガス再循環システム５４はまた、第１の分割ストリーム３４を受け取り、冷却した第１の分割ストリーム４０を生成するよう構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３８（複合サイクルプラントの一部、図示せず）を含む。１つの実施形態において、浄化システム５０は、冷却した第１の分割ストリーム４０及び第２の分割ストリーム３６を受け取り、再循環ストリーム５２を生成するよう構成されている。作動時には、再循環ストリーム５２は、フィード酸化剤ストリーム１４を生成するため新たな酸化剤１２と混合される。
【００１８】
圧縮機１６からの加圧された酸化剤ストリーム１８は、例えば、空気、酸素過濃空気、及び低酸素空気など、酸素を含有するあらゆる好適なガスを含むことができる点は理解される。燃焼室２０における燃焼プロセスは、吐出ストリーム２２を生成する。
【００１９】
図示のように、燃焼室２０からの吐出ストリーム２２は、膨張器２４に導入することができる。図示のように、発電システム１０は、タービンシステム１５に取り付けられた発電機２８を含む。膨張器２４に送給される高温吐出ストリーム２２の熱力学的膨張は、ガスタービンシステム１５を駆動する出力を生成し、その結果、該ガスタービンシステムが、発電機２８を通じて電気を発生させる。この実施形態において、発電機２８からの電気は適切な形態に変換することができ、電力配電網（図示せず）に提供される。膨張器２４からの膨張した排気ストリーム３０は、スプリッター３２に送給することができる。１つの実施形態において、スプリッター３２は、排気ストリームを３４及び第２の分割ストリーム３６への分割を強化するコアンダエジェクタ（Ｃｏａｎｄａエジェクタ）である。ＨＲＳＧ３８は、第１の分割ストリーム３４の熱含量を回収して蒸気を生成するのに使用される。排気ストリーム３０の温度は、約７００°Ｆ〜約１１００°Ｆであり、冷却された第１の分割ストリーム４０は、約６０°Ｆ〜約２００°Ｆの温度である。
【００２０】
１つの実施形態において、排気ガス再循環システム５４は更に、出力ストリーム４４として冷却された第１の分割ストリーム４０の一部を放出するよう構成された第１の制御バルブ４２を含む。より詳細には、ＨＲＳＧ３８は、排気ストリーム３０の第１の分割ストリーム３４から熱を抽出し、出力ストリーム４４として蒸気を生成する。１つの実施形態において、出力ストリーム４４は大気に放出され、別の実施形態では、出力ストリーム４４は、ＣＯ2分離ユニット（図示せず）に送られ、ＣＯ2を分離した後、大気に放出される。冷却された第１の分割ストリーム４０の残りの部分４６は、第２の分割ストリーム３６と混合されて、混合排気ストリーム４８を生成する。排気ガス再循環システム５４は、排気ストリーム３０の一部を再循環し、より詳細には、混合排気ストリーム４８をガスタービン１５の圧縮機１６に循環し、ガスタービン１５の燃焼器２０への加圧フィード酸化剤ストリーム１８中の酸素濃度を約５％低減する。１つの実施形態において、排気ガス再循環システム５４は、排気ストリーム３０の約５０％未満を再循環する。１つの実施形態において、排気ガス再循環システム５４は更に、混合排気ストリーム４８を冷却するための冷却器（図示せず）を含むことができる。混合排気ストリーム４８中に存在する水は、混合排気ストリーム４８の温度が低下することにより、冷却器において凝縮される。本明細書で使用される用語「ＨＲＳＧ」は、排気ストリーム３０から熱を回収して出力ストリーム４４として蒸気を生成する熱回収蒸気発生器３８を指す。蒸気は通常、蒸気タービン（図示せず）に配向され、追加の仕事を抽出する。
【００２１】
混合排気ストリーム４８は、圧縮機１６に再循環する前に、浄化ユニット５０に送ることができる。浄化ユニット５０は、水分、粒子状物質、及び酸性ガスなどの汚染物質を混合排気ストリーム４８から除去した後、これを圧縮機１６の入口に再循環ストリーム５２としてリサイクルするよう構成される。排気ガス３０中に不純物及び水分が含まれていると、ＣＯ2濃度を達成するために簡単な再循環ループを利用することができない。タービンシステムからの排気ガスの一部の直接再循環は、排気ストリーム中に微粒子及び酸性ガスなどの特定の不純物が存在することに起因して、タービン故障及び内部構成要素の摩耗の促進を生じる場合がある。従って、浄化ユニット５０が存在すると、水蒸気、酸性ガス、アルデヒド、及び炭化水素などの汚染物質の除去を強化することができ、ガスタービンシステム１５の内部構成要素の腐食の促進及び汚損の可能性が低減される。図１に示すように、再循環ストリーム５２は、新たな酸化剤１２と混合されて、圧縮機１６用のフィード酸化剤１４を生成する。このリサイクル工程は一般に、加圧された酸化剤ストリーム１８及びひいては排気ストリーム３０中のＣＯ2濃度を高める。
【００２２】
完全予混合燃焼では、排気ガス再循環システム５４は、必ずしもＮＯｘエミッション低減の恩恵をもたらすように働くとは限らず、最適化分析が必要とされる領域が存在する。従って、ＮＯｘエミッションを更に低減するために、排気ガス再循環制御ループ６０がシステム１０に含められる。排気ガス再循環制御ループ６０の包含は、排気ガス再循環システムがＤＬＮシステムに統合されたときに、部分負荷でＮＯｘエミッションが最小レベルに保たれるのをより確実にする。１つの実施形態において、排気ガス再循環制御ループ６０は、燃焼器２０とフィードバック通信するモデルベース制御（ＭＢＣ）６４を備え、ここでモデルベース制御６４は、燃焼器２０における燃焼ダイナミックス及び燃焼不安定性に関するフィードバックを受け取るよう構成される。モデルベース制御６４は更に、受け取ったフィードバックに応答してＥＧＲ％を制御（適応）し、より低いＮＯｘエミッションを提供し、及び／又は規則に準拠しない状態を回避するよう構成される。
【００２３】
実験結果から、ＮＯｘ生成物は再循環ストリーム５２中のＣＯ2パーセンテージ並びに燃焼室２０内の圧力によって変わることが示された。発電システム１０に排気ガス再循環制御ループ６０を組み込むことにより、発電システム１０の１５０ｐｓｉを上回る運転の全負荷条件で更なるＮＯｘ低減を得ることができる。排気ガス再循環制御ループ６０は更に、希薄予混合システムにおいてＯ2濃度が低いことに起因して火炎安定性マージンを改善し、部分負荷でのリーンブローアウトの可能性が低くなる。１つの実施形態において、排気ガス再循環制御ループ６０、及びより詳細にはモデルベース制御６４は、少なくとも１つの燃焼パラメータのフィードバックを受け取り、好ましい実施形態では、複数の燃焼パラメータのフィードバックを受け取るよう構成される。より具体的には、排気ガス再循環制御ループ６０は、ＥＧＲ％、燃焼温度、燃焼器出口でのＮＯｘ及びＣＯ2のエミッション、及び燃焼室２０内の負荷圧力に関して受け取ったフィードバックに基づいてパイロット比（拡散対総燃料比）を制御するよう構成され、これにより火炎安定性が改善され、ＮＯｘエミッションを最小レベルに保つようにする。排気ガス再循環制御ループ６０は、圧力、ＥＧＲ％、燃焼器出口でのＮＯｘ及びＣＯ2のエミッション、及び燃焼温度に関する燃焼情報を利用して、改善された火炎安定性によりＮＯｘエミッションを最小比に保つのに必要なパイロット比を決定する。
【００２４】
排気ガス再循環システム５４は更に、追加の統合制御システム（図示せず）を利用することができる。制御システムは、排気ガス再循環システム５４における各ユニットの作動を統合し、発電システム１０の最適性能を更に達成する。１つの実施形態において、制御システムは、連続監視システム（図面には示していない）によって駆動することができる。連続監視システムは、再循環ストリーム５２中の構成物質を測定し、制御システムにフィードバックを提供する。このフィードバックに基づいて、制御システムは更に、限定ではないが、急冷再循環率、急冷ユニットにおける吸着剤注入速度、及び排気ガス再循環システム５４における複数の箇所でのガス温度を含む、パラメータを調整することができる。制御システムは更に、排気ガス再循環システム５４における主要中所でのガス温度を最適化し、最も効率的な冷却を確保することができる。１つの実施形態において、排気ガス再循環制御ループ６０は、排気ガス再循環システム５４におけるこれらの追加のパラメータを制御し、発電システム１０の最適性能を得ることができる。
【００２５】
作動時には、ＮＯｘの形成は、火炎温度に伴って指数関数的に増大し、燃焼器２０中の酸素の可用性に比例して増大する。排気ガス再循環システム５４は、排気ストリーム３０の一部を圧縮機１６への再循環ストリーム５２として再循環し、フィード酸化剤ストリーム１４中の酸素含有量を約５％低減する。燃焼器２０における燃焼ストリーム１３及び加圧された酸化剤ストリーム１８の燃焼に起因して、排気ストリーム３０中の酸素含有量が使い果たされる。混合排気ストリーム４８がフィード酸化剤ストリーム１４と混合されると、混合気中の酸素含有量は、混合されていないフィード酸化剤ストリーム中の酸素含有量と比べてより少なくなる。この酸素含有量の減少は、例えば、約７０％〜約８０％の間、燃焼器２０におけるＮＯｘ形成を低減するのに役立つ。
【００２６】
排気ガス再循環制御ループ６０の使用は、ＮＯｘエミッションの更なる低減を可能にし、再循環ストリーム５２中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。特定の実施形態において、排気ガス３０の再循環により、二酸化炭素濃度が約１０％増加する。炭素捕捉及び隔離において、排気ストリーム３０からの二酸化炭素が分離され、海底の地層内に貯蔵されるか、又は鉱物炭酸塩に変えられる。炭素捕捉及び隔離技術は、排気ストリーム３０中の二酸化炭素濃度の増加に伴って効率及びコスト効率が高くなる。例示的な実施形態において、本明細書で示されるように、ＨＲＳＧ３８の出口からの排気ガスストリーム４０は、炭素捕捉システム（図示せず）を通過し、大気への排気ガスストリーム４４で排除される二酸化炭素の量を低減することができる。別の例示的な実施形態において、排気ガス再循環ミキサ（図示せず）を設け、再循環ストリーム５２をフィード酸化剤ストリーム１４と混合することができる。
【００２７】
燃料ストリーム１３は、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、シンガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、バイオ燃料、含酸素炭化水素原料、及びこれらの混合物など、あらゆる好適な炭化水素ガス又は液体を含むことができる。１つの実施形態において、燃料は、主として天然ガス（ＮＧ）であり、従って、燃焼室２０からの吐出ストリーム２２は、水、二酸化炭素（ＣＯ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ２）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃燃料、及び他の化合物を含むことができる。
【００２８】
排気ガス再循環制御ループ６０を含む排気ガス再循環システム５４は、タービンシステムの作動流体中の高いＣＯ2濃度を達成し、またＮＯｘエミッションを下げるための、何れかの既存のガスタービンに後付けする後付け可能ユニットとして構成することができる。燃焼室２０からの低減されたＮＯｘエミッションは、（ｉ）外気１２が枯渇した酸素レベルを有する再循環ストリーム５２と混合されたときの加圧酸化剤１８中の酸素含有量の低下、及び（ｉｉ）排気ガス再循環制御ループ６０が受け取る燃焼負荷圧力、ＥＧＲ％、及び燃焼温度に関するフィードバックに基づいたパイロット比に対する調整などの複数の要因によって達成される。
【００２９】
排気ガス再循環制御ループと組み合わせた排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、燃焼パラメータに基づいたパイロット比を調整することにより、排気ガス中のＣＯ2レベルを増大させると同時に、ＮＯｘを低減する本発明の技術において効果的に使用される。あらゆる燃焼プロセスにおけるＮＯｘの処理は通常、選択触媒還元（ＳＣＲ）及び／又は予混合燃焼プロセスによって達成される。本発明の技術は、ガスタービンに対して、燃焼ノズルの後付け装置及び小規模修正として既存のシステムに適用することができる排気ガス再循環システムを含む僅かな修正を行い、より柔軟な運転及び複数の燃焼パラメータの制御を可能にして、低ＮＯｘ形成及び排気ガス中の高いＣＯ2レベルを達成する。１つの実施形態において、上述のように、出力ストリーム４４の一部はＣＯ2分離ユニット（図示せず）に配向される。あらゆるＣＯ2分離技術（例えば、アミン処理、ＰＳＡ、薄膜、その他）を含むことができる。分離後、ＣＯ2過濃ストリームは、ＣＯ2圧縮システムを含む、ＣＯ2調整システムに配向することができる。タービンシステムからの排気ストリーム中のＣＯ2濃度の増加は、ＣＯ2分離処理の効率を高める。
【００３０】
完全予混合モードと部分予混合モードの両方で作動する能力を備えたＤＬＮノズルを利用し、本明細書で記載される排気ガス再循環制御ループを含めた複合ＤＬＮ／ＥＧＲシステムにおいて集められたデータが提供される。排気ガス再循環は、燃料配合ステーションを用いてもたらされた。データ結果は、完全予混合燃焼において、排気ガス再循環は以下のパラメータ、すなわち、（ｉ）酸化剤中のＣＯ2のパーセンテージ、（ｉｉ）排気ガス再循環プロセスの圧力、（ｉｉｉ）リーンブローアウトに影響を及ぼす完全予混合燃焼対パイロット（１〜３％拡散）、（ｉｖ）ノズル混合、及び（ｖ）排気ガス中の酸素含有量の影響を受けることを示している。本明細書で開示されるような発電システムに排気ガス再循環制御ループを含めることにより、このような燃焼パラメータに関するフィードバックに応答して最適作動領域を決定し、パイロット比を制御して、これにより低ＮＯｘエミッションを達成する能力を提供する。排気ガス再循環プロセスにおいて排気ガス再循環制御ループを介して最適作動領域を決定するために、様々な時点、圧力、及びパイロット比での排気ガス再循環を対応付ける必要がある。
【００３１】
より具体的に図２を参照すると、例示的なグラフ表現において、様々な火炎温度（軸１０４としてプロットされている）及び排気ガス再循環に対する二酸化炭素濃度（１０２でプロットされている）の傾向が示されている。より具体的には、図２は、様々なレベルの排気ガス再循環における燃焼室２０の火炎温度の関数として排気ガス３０中のＣＯ2レベルを示している。ＥＧＲ％の増加を示す矢印１１０に沿って排気ガス再循環が０％（線１０６で示す）から４０％（線１０８で示す）まで増加すると、混合排気ストリーム４８の大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＣＯ2濃度が増大する。この結果は、上述のような排気ガス再循環制御ループを含む排気ガス再循環システムを用いると、排気ガス再循環パーセンテージの増加に伴ってスタックでのＣＯ2レベルが増加することを明らかに示している。
【００３２】
図３は、１．５％パイロット比で作動するノズルを用いた、様々な火炎温度（軸１２４でプロットされている）及び排気ガス再循環に対する窒素酸化物の濃度（軸１２２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現１２０である。より具体的には、図３は、様々なレベルの排気ガス再循環における燃焼室２０の火炎温度の関数として排気ガス３０中のＮＯｘレベルを示している。排気ガス再循環が矢印１３０に沿ってベースラインパーセンテージ（線１２６で示す）から３５％（線１２８で示す）まで減少すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＮＯｘ濃度が減少する。図３から、一定の火炎温度（例えば、２９００°Ｆ）において、排気ガス再循環が減少（矢印１３０で表される）すると、ＮＯｘ形成が減少することは明らかである。この結果は、上述のような排気ガス再循環制御ループを含む排気ガス再循環システムを用いると、１．５％パイロット比で作動するノズルを用いて排気ガス再循環パーセンテージの減少に伴ってＮＯｘレベルが減少することを明らかに示している。
【００３３】
図４は、完全予混合モードの８５ｐｓｉで実施した場合の様々な火炎温度（軸１４４でプロットされている）及び排気ガス再循環に対する窒素酸化物の濃度（軸１４２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現１４０である。より具体的には、図４は、様々なレベルの排気ガス再循環における燃焼室２０の火炎温度の関数として排気ガス３０中のＮＯｘレベルを示している。排気ガス再循環及びＣＯ2が、矢印１５０に沿って０％（線１４６で示す）から３５％（線１４８で示す）まで増加すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＮＯｘ濃度が増加する。ＥＧＲ％の増加は、ＮＯｘ生成物の慣性反応に関与する酸化剤中のＣＯ2量を増大させる。
【００３４】
図５に示すように、完全予混合燃焼におけるＮＯｘ生成物に対するＣＯ2の作用を検証する初期大気圧実験で同様の傾向が得られた。より具体的には、図５は、大気圧で実施した場合のＯ2（軸１６４でプロットされている）に基づく様々な火炎温度に対する窒素酸化物の濃度（軸１６２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現１６０である。排気ガス再循環が１０％（線１６６で示す）から３５％（線１６８で示す）まで増加すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてエミッション中のＮＯｘ濃度が増加する。図５は、約３％ＣＯ2を含有する酸化剤が１．５％ＣＯ2を含有する酸化剤と比較してより多くのＮＯｘを生成することを示している。ソフトウェアを利用して同じ実験条件をモデル化し、図６に例示的なグラフ表現で表した結果は、酸化剤の構成物質としてのＣＯ2（線１７２で示す）は、酸化剤として空気が使用された場合の同じ条件（線１７４で示す）と比べて、火炎温度（軸１７８でプロットされている）の変化に伴ってより多くのＮＯｘ生成物（軸１７６でプロットされている）をもたらすことを示している。これらの結果は、ＣＯ2が不活性物ではなく、火炎ゾーンにおいて化学反応に関与する研究結果を立証している。
【００３５】
加えて、酸化剤中一定のＣＯ2パーセンテージでの圧力の作用を調べた結果、圧力が重要な役割を果たしていることが示された。圧力は、ＮＯｘ〜（Ｐ２／Ｐ１）＾ｍ（ここでｍは０．４の範囲内）の形でＮＯｘ生成物と関連があることは公知である。図７は、一定のＣＯ2パーセンテージレベル及び９０〜９５ｐｓｉｇの低圧での変化する火炎温度（軸１８４でプロットされている）及び排気ガス再循環に伴う窒素酸化物濃度（軸１８２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現１８０である。図８は、一定のＣＯ2パーセンテージレベル及び１４５〜１６０ｐｓｉｇの高圧での変化する火炎温度（軸１９４でプロットされている）及び排気ガス再循環に伴う窒素酸化物濃度（軸１９２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現１９０である。より具体的には、再度図７を参照すると、燃焼室２０における火炎温度並びに酸化剤中の一定のＣＯ2パーセンテージレベルでの圧力の作用の関数として排気ガス３０中のＮＯｘレベルが示される。排気ガス再循環が９０ｐｓｉｇでの０％（線１８８で示す）から９５ｐｓｉｇでの３５％（線１８８で示す）まで増加すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＮＯｘ濃度が増大する。低圧でのＥＧＲ％の増加は、ＮＯｘ量を僅かに増大させるだけである。図８を再度参照すると、排気ガス再循環が１４５ｐｓｉｇでの０％（線１９６で示す）から１６０ｐｓｉｇでの３５％（線１９８で示す）まで増加すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＮＯｘ濃度が増大する。従って、高圧でのＥＧＲ％の増加は、再循環ストリーム中のＮＯｘエミッション量を大幅に減少させる。
【００３６】
ＣＯ2が存在する場合、完全予混合モードにおける燃焼圧力の増大は、ＮＯｘ生成物に逆の影響をもたらす。この減少は、圧力の増大がＮＯｘ生成物に対するＣＯ2反応速度を抑制するものとして説明することができる。図９は、ＣＯ2雰囲気中で、完全予混合モードにおける圧力減少（線２０６で示す）状態での変化する火炎温度（軸２０４でプロットされている）及び排気ガス再循環に伴う窒素酸化物濃度（軸２０２でプロットされている）の傾向を示す例示的なグラフ表現２００である。図９は、燃焼室２０における火炎温度並びに酸化剤中の一定のＣＯ2パーセンテージレベルでの圧力増大の作用の関数として排気ガス３０中のＮＯｘレベルを示している。圧力が９５ｐｓｉｇ（線２０８で示す）から１６０ｐｓｉｇ（線２１０で示す）まで増加すると、排気ガスの大部分が再循環ストリーム５２として圧縮機の入口にリサイクルされるにつれてＮＯｘ濃度が減少する。この結果は、圧力の増加がＮＯｘ生成物に対するＣＯ2反応速度を抑制することを示している。
【００３７】
本明細書で記載される発電システムは、低レベルのＮＯｘ形成に適合する必要があるタービンに対する後付け装置として実装することができると同時に、ＣＯ2分離が必要とされる状況でより効果的なＣＯ2分離を可能にする、排気ガス再循環制御ループを含む排気ガス再循環ユニットを備える。本明細書で開示される排気ガス再循環システムは、ＣＯ2が希薄であり、ＮＯｘレベルが燃焼プロセスにおいて通常観測されるよりも低い排気ガスを備えた発電用の選択条件である。本明細書で記載される全ての実施形態において提供される排気ガス再循環制御ループは、部分負荷条件でＮＯｘ生成物を最小限にし、且つ火炎安定性を改善する最適分析を提供する。加えて、排気ガス再循環制御ループは、ＮＯｘ生成物に対するＣＯ2の作用に対処する。ＮＯｘ生成物に対するＣＯ2の役割を強化又は抑制することに関するＣＯ2の作用及び燃焼圧力への依存性を理解することで、本明細書で開示される排気ガス再循環制御ループは、圧力、ＥＧＲ％、及び燃焼温度に関連するフィードバックを受け取り、火炎安定性が改善された最小比でＮＯｘを維持するのに必要なパイロット比を決定する。発電システムにおけるガスタービンシステムと共に、本明細書で開示される制御ループを有する排気ガス再循環システムを含めることで、コスト削減及び信頼性の向上などの形で低ＮＯｘエミッションを達成する際のシステムの有意な簡素化をもたらす。
【００３８】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  発電システム
１２  新たな酸化剤
１３  燃料ストリーム
１４  フィード酸化剤ストリーム
１５  ガスタービンシステム
１６  圧縮機
１８  加圧された酸化剤ストリーム
２０  燃焼室
２２  吐出ストリーム
２４  膨張器
２６  シャフト
２８  発電機
３０  排気ストリーム
３２  スプリッター
３４  第１の分割ストリーム
３６  第２の分割ストリーム
３８  熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
４０  冷却された第１の分割ストリーム
４２  第１の制御バルブ
４４  出力ストリーム
４６  冷却された第１の分割ストリーム４０の残りの部分
４８  混合排気ストリーム
５０  浄化ユニット
５２  リサイクルストリーム
５４  排気ガス再循環システム
６０  排気ガス再循環制御ループ
６２  フィードバックループ
６４  モデルベース制御（ＭＢＣ）
１００  例示的なグラフ表現
１０２  軸線
１０４  軸線
１０６  線
１０８  線
１１０  矢印
１２０  例示的なグラフ表現
１２２  軸線
１２４  軸線
１２６  線
１２８  線
１３０  矢印
１４０  例示的なグラフ表現
１４２  軸線
１４４  軸線
１４６  線
１４８  線
１５０  矢印
１６０  例示的なグラフ表現
１６２  軸線
１６４  軸線
１６６  線
１６８  線
１７０  例示的なグラフ表現
１７２  線
１７４  線
１７６  軸線
１７８  軸線
１８０  例示的なグラフ表現
１８２  軸線
１８４  軸線
１８６  線
１８８  線
１９０  例示的なグラフ表現
１９２  軸線
１９４  軸線
１９６  線
１９８  線
２００  例示的なグラフ表現
２０２  軸線
２０４  軸線
２０６  線
２０８  線
【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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