ガスタービンエンジンシステムに適用される接触改質機構の動作システム及び方法
【課題】接触改質機構を提供する。
【解決手段】接触改質機構は、燃焼ガス２０４の流れを接触改質装置へと導くように燃焼ガス源２０６と流体連通結合され、触媒層２１３を含む。また、或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガス又は燃焼ガスを含む混合気を生成するようにこの接触改質装置に結合され、混合気が触媒層を通して導かれることで改質流が生成される噴射器２１４と、触媒層の温度を測定するように接触改質装置に結合されたの温度センサと、改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように接触改質装置に結合された酸化剤ガスセンサ２２２と、温度センサと酸化剤ガスセンサとに結合され、触媒層温度又は酸化剤ガスレベルに基づいて触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置２２６と、を含む。
【解決手段】接触改質機構は、燃焼ガス２０４の流れを接触改質装置へと導くように燃焼ガス源２０６と流体連通結合され、触媒層２１３を含む。また、或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガス又は燃焼ガスを含む混合気を生成するようにこの接触改質装置に結合され、混合気が触媒層を通して導かれることで改質流が生成される噴射器２１４と、触媒層の温度を測定するように接触改質装置に結合されたの温度センサと、改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように接触改質装置に結合された酸化剤ガスセンサ２２２と、温度センサと酸化剤ガスセンサとに結合され、触媒層温度又は酸化剤ガスレベルに基づいて触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置２２６と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の主題は、概して水素を生成するための炭化水素の改質に関し、特に接触改質機構内の触媒及び改質物の流れの監視に用いるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン等の炭化水素を水素でドープすることにより、概してガスタービンのターンダウン性が向上し、タービンが全負荷未満でより効率的に動力を供給することができる。しかし、水素の貯蔵及び輸送は困難なことが多いので、水素の現場生成、即ちガスタービンの場所における水素の生成が推奨されている。
【０００３】
水素生成に用いる周知の一方法には、接触改質機構を用いたメタン等の炭化水素の改質が含まれる。制御されたモル量のメタン等の炭化水素供給流と、制御されたモル量の酸素（Ｏ２）等の酸化剤流とを、触媒上に導くことで、水素に富んだ改質ガス流を創出する。しかし、触媒が効率的に機能していない場合、一部の酸素が触媒作用を受けないままシステムを通過することがある。このような状態は酸素スリップ（ｏｘｙｇｅｎ ｓｌｉｐ）とよばれ、改質ガス流の早期着火を誘発することがある。概して、接触改質機構は、触媒に対するメタン及び酸化剤の流量を連続的に測定及び制御するハードウェアを備える。更に、１つ以上の噴射ノズルを設けて触媒の上流でメタンと酸化剤とを混合することにより、触媒に対するメタン及び酸化剤のモル比を適正に制御し、酸素スリップを防ぐようになっている。
【０００４】
触媒の反応性は時間が経つと低下することがある。周知の改質システムでは、温度センサを用いて、触媒の温度を触媒の作用の有効性の指標として測定する。こうしたシステムにおいて、触媒の温度が所定の閾値を下回る場合、このことが、改質システムが触媒の再生又は交換等のメンテナンスを必要としていることを示す指標となることが多い。こうしたメンテナンスでは、改質システムの運転停止を必要とすることが多い。その他の周知の改質システムでは、例えば触媒の温度が所定の閾値を下回る場合、或いは接触改質機構の性能低下を示す場合に、プラズマアークを用いて触媒機能を補助することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５９１２４２Ｂ２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、接触改質機構の動作方法を提供する。この方法は、或る量の酸化剤ガスと或る量の燃焼ガスとを改質装置内に噴射して、混合気を生成するステップを含む。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質ガス流が生成される。触媒層の温度は、少なくとも１つの温度センサを用いて測定される。改質流中の酸化剤ガスのレベルは、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサを用いて測定される。触媒層の健全性は、触媒層の測定温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて判定される。
【０００７】
別の態様において、ガスタービンエンジンシステムに適用される接触改質機構を提供する。この接触改質機構は、燃焼ガス源と流体連通結合された接触改質装置を含み、燃焼ガス流が接触改質装置に導かれる。接触改質装置は触媒層を含む。或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガスと燃焼ガスとの少なくとも一方を含む混合気を生成するように、少なくとも１つの噴射器が接触改質装置に結合される。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質流が生成される。触媒層の温度を測定するように少なくとも１つの温度センサが接触改質装置に結合される。改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサが接触改質装置に結合される。制御装置は、温度センサと酸化剤ガスセンサとに結合される。この制御装置は、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて触媒層の健全性を判定するように構成されている。
【０００８】
また別の態様において、ガスタービンエンジンシステムを提供する。このガスタービンエンジンシステムは、圧縮機と、この圧縮機と流体連通しており圧縮機が排出する空気の少なくとも一部を受け取る燃焼器と、この燃焼器と流体連通結合された接触改質機構とを含む。接触改質機構は、燃焼ガス源と流体連通結合された接触改質装置を含み、燃焼ガス流がこの接触改質装置に導かれる。接触改質装置は、少なくとも１つの触媒層を含む。或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガス及び燃焼ガスの少なくとも一方を含む混合気を生成するように、少なくとも１つの噴射器が接触改質装置に結合される。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質流が生成される。触媒層の温度を測定するように、少なくとも１つの温度センサが接触改質装置に結合される。改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサが接触改質装置に結合される。制御装置が、温度センサと酸化剤ガスセンサに結合される。この制御装置は、触媒層温度と酸化剤ガスレベルとの少なくとも一方に基づいて触媒層の健全性を判定するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例証的なガスタービンエンジンシステムの概略図である。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンシステムに適用される例証的な接触改質機構を示すブロック図である。
【図３】図２に示す接触改質機構の例証的な動作方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願は、接触改質機構の故障防止に用いる方法及びシステムを開示する。炭化水素改質機構の触媒層に用いる触媒は、時間の経過に伴って劣化することがある。改質機構が、完全に触媒作用を受けない場合にタービンの性能及び安全動作に悪影響を及ぼし得る酸化剤ガスを使用する場合は、こうした安全ではない悪影響を防ぐ上で、触媒層と改質流とを監視するシステムが有益である。そこで、本出願では、触媒層の温度と、触媒層の下流において改質流中に存在する、触媒作用を受けていない酸化剤ガスのレベルとを監視するシステムを開示する。この温度及び／又は改質流中の酸化剤ガスのレベルに基づいて、安全な是正動作が実施される。
【００１１】
図１は、ガスタービンエンジンシステム１０の概略図である。この実施例において、ガスタービンエンジンシステム１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、ロータ軸２２により圧縮機１２に駆動的に結合されたタービン１６と、制御システム又は制御装置１８と、接触改質機構２８とを含む。燃焼器１４は圧縮機１２に結合されており、燃焼器１４が圧縮機１２と流体連通するようになっている。接触改質機構２８は、燃焼器１４に結合されており、燃料を燃焼器１４内に導くように構成される。入口ダクト２０は、周囲空気を圧縮機１２へと導く。一実施形態において、噴射された水及び／又はその他の加湿剤もまた、入口ダクト２０を介して圧縮機１２へと導かれる。入口ダクト２０は、入口ダクト２０を通って圧縮機１２の１つ以上の入口ガイドベーン２１内へと流れる周囲空気の圧力損失の一因となる複数のダクト、フィルタ、スクリーン及び／又は吸音装置を含むことがある。
【００１２】
動作中、入口ダクト２０は空気を、吸気を圧縮して圧力と温度を上昇させる圧縮機１２へと導く。圧縮機１２は、圧縮空気を燃焼器１４の方へと排出し、ここで圧縮空気が燃料と混合及び点火され、圧縮機１２を駆動させるタービン１６へと流れる燃焼ガスが生成される。燃焼器１４は、燃焼ガスをタービン１６へと導き、そこでガス流の熱エネルギーが機械回転エネルギーに変換される。
【００１３】
この実施例においては、ガスタービンエンジンシステム１０を用いて、ロータ軸２２に結合された発電機等の負荷２４を駆動させる。別の実施形態において、発電機２４は、ロータ軸２２の前方延長部（図示せず）に結合される。
【００１４】
ガスタービンエンジンシステム１０の動作は、タービン１６、発電機２４、接触改質機構２８及び／又は周囲環境の様々な条件を検出する幾つかのセンサ２６により監視される。センサ２６として、ガスセンサ、温度センサ、流量センサ、速度センサ、火炎検出センサ、弁位置センサ、ガイドベーン角センサ、及び／又はガスタービンエンジンシステム１０の動作に関する様々なパラメータを検出するその他のセンサも含む。本明細書で使用する場合、「パラメータ」という用語は、その値によって所定の位置における温度、圧力、及びガス流量等のガスタービンエンジンシステム１０の動作条件が定まり得る物理特性を指す。
【００１５】
この実施例において、制御システム１８は、ハードウェア及び／又はソフトウェアに実装可能な通信リンク２９を介してセンサ２６と通信する。一実施形態において、通信リンク２９は、本明細書の内容から想到可能な当業者に周知の任意の有線又は無線通信プロトコルに従って、制御システム１８との間でデータ信号の遠隔通信を行う。このようなデータ信号には、制御システム１８に送信されるセンサ２６の動作条件を示す信号と制御システム１８からセンサ２６に伝達される様々なコマンド信号とが含まれる。
【００１６】
制御システム１８は、ディスプレイ１９と少なくとも１つの処理装置２３とを含むコンピュータシステムである。制御システム１８は、センサ入力と人間のオペレータからの命令とによって、プログラムを実行してガスタービンエンジンシステム１０の動作を制御する。ディスプレイ１９には、ユーザ入力選択装置として機能するユーザ入力機能が設けられる。この実施例において、ディスプレイ１９は、ディスプレイ１９上でのユーザの加圧接触に応答して選択的に機能を実行する。ディスプレイ１９として、従来の周知の態様で動作するキーパッドも含まれる。これにより、ユーザは、ディスプレイ１９の表面に触れることによって、制御システム１８で利用可能な所望の機能を操作できる。
【００１７】
本明細書に説明する実施形態において、メモリには、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のコンピュータ読取可能媒体と、フラッシュメモリ等のコンピュータ読取可能不揮発性メモリとが含まれるが、これらに限定されるわけではない。代替的に、フレキシブルディスク、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）も使用可能である。また、本明細書に記載の実施形態において、入力チャネルには、センサ及び／又はオペレータインターフェースに関連付けられたコンピュータ周辺機器が含まれるが、これらに限定されるわけではない。更に、この実施例において、出力チャネルには、制御装置、オペレータインターフェースモニタ、及び／又はディスプレイが含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００１８】
本明細書に記載の処理装置は、センサ、アクチュエータ、圧縮機、制御システム、及び／又は監視装置を含むがこれらに限定されない複数の電気装置及び電子装置から送信される情報を処理する。このような処理装置は、例えば制御システム、センサ、監視装置、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）キャビネット、及び／又は分散制御システム（ＤＣＳ）キャビネット内に物理的に設置される。ＲＡＭ及び記憶装置は、情報と処理装置により実行される命令とを格納及び伝達する。また、ＲＡＭ及び記憶装置を用いて、一時変数、静的な（即ち不変の）情報及び命令、又はその他の中間情報を格納すると共に、処理装置による命令実行時にこれを処理装置に供給する。命令シーケンスの実行は、ハードウェア回路とソフトウェア命令との任意の特定の組合せに限定されるわけではない。
【００１９】
図２は、ガスタービンエンジンシステム１０に用いられる例証的な接触改質機構２００を示すブロック図である。この実施例において、接触改質機構２００は、燃焼源２０６からの燃焼ガス２０４の改質に用いる接触改質装置２０２の故障の防止が容易になるように構成される。接触改質機構２００は、燃焼ガス２０４を接触改質装置２０２に導くように燃焼ガス源２０６と流体連通結合された少なくとも１つの接触改質装置２０２を含む。燃焼ガス源弁２１０は、接触改質装置２０２と燃焼ガス源２０６との間に配置されており、燃焼ガス２０４の流れを制御する。改質システムバイパス管路２１１は、燃焼ガス源２０６とまた別の改質システム２３６とに流体連通結合される。バイパス弁２１２は、また別の改質システム２３６への燃焼ガス源２０６の流れを制御するように、改質システムバイパス管路２１１に結合されると共に、燃焼ガス源２０６とまた別の改質システム２３６との間に配置される。酸化剤ガス源２１８は、酸化剤ガス２１６を接触改質装置２０２へと導くように接触改質装置２０２と流体連通結合される。燃焼ガス流２０８へと導かれる燃焼ガス２０４の量は燃焼ガス源弁２１０により制御され、改質システムバイパス管路２１１内の燃焼ガス２０４の量はバイパス弁２１２により制御される。この実施例において、燃焼ガス２０４はメタンを含む。別の実施形態において、燃焼ガス２０４は、接触改質装置２０２を本明細書に記載のように機能させ得るいかなる適切なガスを含んでもよい。更に、この実施例において、燃焼ガス流２０８は、弁２１０を通って接触改質装置２０２内に流入する。接触改質装置２０２は、触媒層２１３と、この触媒層２１３に配置された触媒物質２３８とを含む。酸化剤ガス源２１８からの酸化剤ガス２１６を接触改質装置２０２内に噴射するように、少なくとも１つの酸化剤ガス噴射器２１４が接触改質装置２０２及び酸化剤ガス源２１８と流体連通結合されており、これによって、酸化剤ガス２１６が燃焼ガス流２０８と混合され、酸化剤ガス２１６の一部分及び燃焼ガス流２０８の少なくとも一方を含む混合気２１５が生成される。接触改質装置２０２は、混合気２１５を触媒層２１３上に導いて、触媒作用により改質ガス２１７を生成する。この実施例において、酸化剤ガス２１６の量は、酸化剤ガス源弁２１９により制御される。このような実施例において、酸化剤ガス２１６は、実質的に純酸素を含む。別の実施形態において、酸化剤ガス２１６は、燃焼ガス２０４と一緒に用いて接触改質装置２０２内で本明細書に記載のように触媒作用を生じさせ得る、いずれの適切なガスを含んでもよい。更に、この実施例において、酸化剤ガス噴射器２１４には、触媒層２１３全体に酸化剤ガス２１６が実質的に均一に噴射されるように触媒層２１３全体に実質的に等間隔で配置された、触媒効率を向上させる格子状の噴射器が含まれる。
【００２０】
接触改質機構２００は更に、触媒層２１３に配置された、触媒層２１３の温度を測定する少なくとも１つの温度センサ２２０を含む。この実施例において、温度センサ２２０は熱電対である。別の実施形態においては、温度センサ２２０は、接触改質機構２００を本明細書に記載のように機能させ得る任意の適切なセンサであってよい。一実施形態において、接触改質機構２００は、触媒層２１３に配置された単一の温度センサ２２０のみを含む。この実施例において、接触改質機構２００は、触媒層２１３全体に及ぶ複数の点で温度を測定するように触媒層２１３にマトリックス状に配置された、複数の温度センサ２２０を含む。接触改質機構２００は更に、触媒層２１３の下流において改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定する、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ２２２を含む。一実施形態において、単一の酸化剤ガスセンサ２２２が改質ガス弁２２４の上流に配置される。この実施例において、接触改質機構２００は、複数の異なる位置で改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するように触媒層２１３の出口平面２２５全体にわたる複数の異なる位置に配置された、複数の酸化剤ガスセンサ２２２を含む。
【００２１】
更に、この実施例において、接触改質機構２００は制御装置２２６を含み、この制御装置は、処理装置２２８と、メモリ領域２３０と、温度センサ２２０及び酸化剤ガスセンサ２２２に結合されたセンサ通信インターフェース２３２と、弁制御装置２３４を含む。この弁制御装置は、弁２１０を介した燃焼ガス２０４の流れと、弁２１２を介して改質システムバイパス管路２１１へと至る燃焼ガス２０４の流れと、弁２１９を介した酸化剤ガス２１６の流れと、弁２２４を介した改質ガス２１７の流れとを制御するように、弁２１０、２１２、２１９及び２２４に通信可能に結合されている。この実施例において、制御装置２２６は、触媒層２１３内の温度センサ２２０により測定された温度を示す温度センサ２２０からの信号を受け取ると共に、触媒作用後の触媒層２１３の下流における改質ガス２１７の流れの酸化剤ガス２１６のレベルを示す酸化剤ガスセンサ２２２からの信号を受け取る。更に、この実施例において、制御装置２２６は、温度センサ２２０から得られる測定温度及び／又は酸化剤ガスセンサ２２２から得られる酸化剤ガス２１６の測定レベルに基づいて、触媒層２１３の健全性を判定する。この実施例において、温度センサ２２０による測定温度が所定の安全閾値を下回る場合及び／又は酸化剤ガスセンサ２２２による酸化剤ガス２１６の測定レベルが所定の安全閾値を上回る場合、触媒層２１３の健全性が悪影響を受けると判定される。この実施例において、触媒層２１３の健全性判定と同時に、制御装置２２６は、この健全性判定に基づいて接触改質機構２００の安全対策オプションを決定する。
【００２２】
この実施例において、安全対策オプションは、燃焼ガス２０４及び／又は酸化剤ガス２１６の方向を、また別の接触改質機構及び／又はまた別の触媒層へと変えることを含むが、これを含むことのみに限定されるわけではない。別の実施形態において、安全対策オプションは、更に、バイパス管路２１１を用いて接触改質機構２００の接触改質装置２０２をバイパスさせることにより、ガスタービンエンジンシステム１０を、改質ガス２１７を用いることなく、なお且つ、ガスタービンエンジンシステム１０にとって不安全な可能性がある酸化剤ガス２１６のレベルにおいて改質ガス２１７に起因する悪影響の可能性を全く伴うことなく、燃焼ガス２０４を用いて動作させることも含む。その他の実施形態において、安全対策オプションは、触媒層２１３の温度と改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルとを改善できるように、触媒層２１３の触媒物質２３８を交換、調節及び／又は更新することも含む。更にまた別の実施形態において、安全対策オプションは、量の増減によって酸化剤ガス２１６の噴射量を調節すること及び／又は燃焼ガス２０４の量を調節することにより、触媒層２１３の温度と改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルとを改善させることを含む。更に、また別の実施形態において、安全対策オプションは、触媒層２１３の測定温度、触媒層２１３の下流における酸化剤ガス２１６の測定されたレベル、及び／又は触媒層２１３の健全性判定に基づいて、触媒層２１３の様々な位置における酸化剤ガス２１６の噴射量及び／又は燃焼ガス２０４の量を調節することを含む。様々な位置における酸化剤ガス２１６の噴射量を、こうした様々な位置における酸化剤ガス２１６の温度とレベルとに基づいて調節することにより、接触改質機構２００では、こうした様々な位置における健全性に基づいてその位置での触媒プロセス出力を増減させることができるようになり、触媒層２１３の耐用寿命と、安全対策オプション判定をトリガすることなく触媒層２１３が作用し得る期間を延長できる。
【００２３】
図３は、接触改質装置２０２の故障を防ぐ上で用いられる、接触改質機構２００の例証的な動作方法３００の流れ図である。この実施例において、方法３００は、或る量の酸化剤ガス２１６を燃焼ガス流２０８中に噴射して混合気２１５を生成するステップ３０２と、この混合気２１５を触媒層２１３に通して行き渡らせ、燃焼ガス流２０８と酸化剤ガス２１６との間の反応を促進することにより改質ガス２１７を生成するステップ３０４とを含む。また、この実施例において、方法３００は、触媒層２１３内に配置される少なくとも１つの温度センサ２２０を用いて触媒層２１３の温度を測定するステップ３０６と、触媒層２１３の下流において改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するステップ３０８とを含む。更に、この実施例において、方法３００は、触媒層２１３の測定温度及び／又は触媒層２１３の下流における改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６の測定されたレベルに基づいて、触媒層２１３の健全性を判定するステップ３１０を含む。加えて、ステップ３１２において、接触改質装置２０２の安全対策オプションを、触媒層２１３の健全性判定に基づいて決定する。
【００２４】
この実施例において、方法３００は更に、触媒層２１３に配置された複数の温度センサ２２０を用いて触媒層２１３の温度を測定するステップ３０６と、触媒層２１３の下流において触媒層２１３に対して複数の異なる位置で改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するステップ３０８とを含む。代替実施形態では、ステップ３０８において、触媒層２１３の温度と酸化剤ガス２１６のレベルをそれぞれ、単一のセンサを用いて測定する。更に、この実施例では、接触改質機構２００が触媒層２１３の測定温度は所定の安全閾値を下回ると判定した場合及び／又は測定された酸化剤ガス２１６のレベルは所定の安全閾値を上回ると判定した場合、ステップ３１０において、触媒層２１３の健全性が悪影響を受けると判定する。代替実施形態においては、酸化剤ガス２１６の噴射量及び燃焼ガス２０４の量の少なくとも一方を、ステップ３０６において測定された酸化剤ガス２１６の温度及び／又はステップ３０８において測定された酸化剤ガス２１６のレベル、及び／又は健全性判定３１０に従って、触媒層２１３の様々な位置で調節する。
【００２５】
上述のシステム及び方法により、接触改質装置の故障を防止するように接触改質機構を動作させることができる。このように、本明細書に記載の実施形態により、接触改質装置の監視が容易になると共に、安全な是正動作を実行して酸化剤ガススリップ（ｏｘｉｄｉｚｅｒ ｇａｓ ｓｌｉｐ）と改質ガス流の早期着火を防ぐことができる。具体的には、接触改質機構により、触媒層の温度と、改質流中に存在する、触媒作用を受けない酸化剤ガスのレベルとの監視が容易になると共に、様々な測定に基づいて安全な是正動作を実施することによって、触媒作用を完全には受けていない酸化剤ガスに起因する問題を減少させること及び／又は防止することができる。このように、ガスタービンエンジンシステムのメンテナンスコストの削減が促進される。
【００２６】
ガスタービンエンジンシステムに適用される接触改質機構の動作システム及び方法の実施例を上記に詳細に説明した。これらのシステム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるわけではなく、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップを本明細書に記載のその他の構成要素及び／又はステップとは別個独立に用いることができる。例えば、これらのシステム及び方法を、その他の燃焼システム及び方法と組み合わせて用いてもよく、本明細書に記載のガスタービンエンジンシステムに関連した実施のみに限定されるわけではない。むしろ、これらの実施例をその他多くの燃焼システム用途に関連させて実施及び使用することができる。
【００２７】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、図面によっては記載されていることも記載されていないこともあるが、これはあくまでも便宜上の理由による。本発明の原理に従って、或る図面上の任意の特徴を、その他の図面のいずれの特徴と組み合わせて参照すること及び／又はクレームすることもできる。
【００２８】
本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって、当業者は、あらゆる装置又はシステムの作製及び付随の方法の実施も含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に記載されており、当業者に想到可能なその他の例も包含する。こうしたその他の例も、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は請求項の文言と殆ど変わらない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
１０ ガスタービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 制御システム
１９ ディスプレイ
２０ 入口ダクト
２１ 入口ガイドベーン
２２ ロータ軸
２３ 処理装置
２４ 発電機
２６ センサ
２８ 接触改質機構
２９ 通信リンク
２００ 接触改質機構
２０２ 接触改質装置
２０４ 燃焼ガス
２０６ 燃焼ガス源
２０８ 燃焼ガス流
２１０ 燃焼ガス源弁
２１１ 改質システムバイパス管路
２１２ バイパス弁
２１３ 触媒層
２１４ 酸化剤ガス噴射器
２１５ 混合気
２１６ 酸化剤ガス
２１７ 改質ガス
２１８ 酸化剤ガス源
２１９ 酸化剤ガス源弁
２２０ センサ
２２２ 酸化剤ガスセンサ
２２４ 改質ガス弁
２２５ 出口平面
２２６ 制御装置
２２８ 処理装置
２３０ メモリ領域
２３２ センサ通信インターフェース
２３４ 弁制御装置
２３６ 別の改質システム
２３８ 触媒物質
３００ 方法
３０２ 酸化剤ガスを燃焼ガス流中に噴射する
３０４ ガス流を触媒層全体に導く
３０６ 触媒層の温度を測定する
３０８ 改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定する
３１０ 触媒層の健全性を判定する
３１２ 安全対策オプションを決定する
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の主題は、概して水素を生成するための炭化水素の改質に関し、特に接触改質機構内の触媒及び改質物の流れの監視に用いるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン等の炭化水素を水素でドープすることにより、概してガスタービンのターンダウン性が向上し、タービンが全負荷未満でより効率的に動力を供給することができる。しかし、水素の貯蔵及び輸送は困難なことが多いので、水素の現場生成、即ちガスタービンの場所における水素の生成が推奨されている。
【０００３】
水素生成に用いる周知の一方法には、接触改質機構を用いたメタン等の炭化水素の改質が含まれる。制御されたモル量のメタン等の炭化水素供給流と、制御されたモル量の酸素（Ｏ２）等の酸化剤流とを、触媒上に導くことで、水素に富んだ改質ガス流を創出する。しかし、触媒が効率的に機能していない場合、一部の酸素が触媒作用を受けないままシステムを通過することがある。このような状態は酸素スリップ（ｏｘｙｇｅｎ ｓｌｉｐ）とよばれ、改質ガス流の早期着火を誘発することがある。概して、接触改質機構は、触媒に対するメタン及び酸化剤の流量を連続的に測定及び制御するハードウェアを備える。更に、１つ以上の噴射ノズルを設けて触媒の上流でメタンと酸化剤とを混合することにより、触媒に対するメタン及び酸化剤のモル比を適正に制御し、酸素スリップを防ぐようになっている。
【０００４】
触媒の反応性は時間が経つと低下することがある。周知の改質システムでは、温度センサを用いて、触媒の温度を触媒の作用の有効性の指標として測定する。こうしたシステムにおいて、触媒の温度が所定の閾値を下回る場合、このことが、改質システムが触媒の再生又は交換等のメンテナンスを必要としていることを示す指標となることが多い。こうしたメンテナンスでは、改質システムの運転停止を必要とすることが多い。その他の周知の改質システムでは、例えば触媒の温度が所定の閾値を下回る場合、或いは接触改質機構の性能低下を示す場合に、プラズマアークを用いて触媒機能を補助することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５９１２４２Ｂ２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、接触改質機構の動作方法を提供する。この方法は、或る量の酸化剤ガスと或る量の燃焼ガスとを改質装置内に噴射して、混合気を生成するステップを含む。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質ガス流が生成される。触媒層の温度は、少なくとも１つの温度センサを用いて測定される。改質流中の酸化剤ガスのレベルは、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサを用いて測定される。触媒層の健全性は、触媒層の測定温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて判定される。
【０００７】
別の態様において、ガスタービンエンジンシステムに適用される接触改質機構を提供する。この接触改質機構は、燃焼ガス源と流体連通結合された接触改質装置を含み、燃焼ガス流が接触改質装置に導かれる。接触改質装置は触媒層を含む。或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガスと燃焼ガスとの少なくとも一方を含む混合気を生成するように、少なくとも１つの噴射器が接触改質装置に結合される。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質流が生成される。触媒層の温度を測定するように少なくとも１つの温度センサが接触改質装置に結合される。改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサが接触改質装置に結合される。制御装置は、温度センサと酸化剤ガスセンサとに結合される。この制御装置は、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて触媒層の健全性を判定するように構成されている。
【０００８】
また別の態様において、ガスタービンエンジンシステムを提供する。このガスタービンエンジンシステムは、圧縮機と、この圧縮機と流体連通しており圧縮機が排出する空気の少なくとも一部を受け取る燃焼器と、この燃焼器と流体連通結合された接触改質機構とを含む。接触改質機構は、燃焼ガス源と流体連通結合された接触改質装置を含み、燃焼ガス流がこの接触改質装置に導かれる。接触改質装置は、少なくとも１つの触媒層を含む。或る量の酸化剤ガスを接触改質装置内に噴射して酸化剤ガス及び燃焼ガスの少なくとも一方を含む混合気を生成するように、少なくとも１つの噴射器が接触改質装置に結合される。この混合気が触媒層を通して導かれることで、改質流が生成される。触媒層の温度を測定するように、少なくとも１つの温度センサが接触改質装置に結合される。改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定するように、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサが接触改質装置に結合される。制御装置が、温度センサと酸化剤ガスセンサに結合される。この制御装置は、触媒層温度と酸化剤ガスレベルとの少なくとも一方に基づいて触媒層の健全性を判定するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例証的なガスタービンエンジンシステムの概略図である。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンシステムに適用される例証的な接触改質機構を示すブロック図である。
【図３】図２に示す接触改質機構の例証的な動作方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願は、接触改質機構の故障防止に用いる方法及びシステムを開示する。炭化水素改質機構の触媒層に用いる触媒は、時間の経過に伴って劣化することがある。改質機構が、完全に触媒作用を受けない場合にタービンの性能及び安全動作に悪影響を及ぼし得る酸化剤ガスを使用する場合は、こうした安全ではない悪影響を防ぐ上で、触媒層と改質流とを監視するシステムが有益である。そこで、本出願では、触媒層の温度と、触媒層の下流において改質流中に存在する、触媒作用を受けていない酸化剤ガスのレベルとを監視するシステムを開示する。この温度及び／又は改質流中の酸化剤ガスのレベルに基づいて、安全な是正動作が実施される。
【００１１】
図１は、ガスタービンエンジンシステム１０の概略図である。この実施例において、ガスタービンエンジンシステム１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、ロータ軸２２により圧縮機１２に駆動的に結合されたタービン１６と、制御システム又は制御装置１８と、接触改質機構２８とを含む。燃焼器１４は圧縮機１２に結合されており、燃焼器１４が圧縮機１２と流体連通するようになっている。接触改質機構２８は、燃焼器１４に結合されており、燃料を燃焼器１４内に導くように構成される。入口ダクト２０は、周囲空気を圧縮機１２へと導く。一実施形態において、噴射された水及び／又はその他の加湿剤もまた、入口ダクト２０を介して圧縮機１２へと導かれる。入口ダクト２０は、入口ダクト２０を通って圧縮機１２の１つ以上の入口ガイドベーン２１内へと流れる周囲空気の圧力損失の一因となる複数のダクト、フィルタ、スクリーン及び／又は吸音装置を含むことがある。
【００１２】
動作中、入口ダクト２０は空気を、吸気を圧縮して圧力と温度を上昇させる圧縮機１２へと導く。圧縮機１２は、圧縮空気を燃焼器１４の方へと排出し、ここで圧縮空気が燃料と混合及び点火され、圧縮機１２を駆動させるタービン１６へと流れる燃焼ガスが生成される。燃焼器１４は、燃焼ガスをタービン１６へと導き、そこでガス流の熱エネルギーが機械回転エネルギーに変換される。
【００１３】
この実施例においては、ガスタービンエンジンシステム１０を用いて、ロータ軸２２に結合された発電機等の負荷２４を駆動させる。別の実施形態において、発電機２４は、ロータ軸２２の前方延長部（図示せず）に結合される。
【００１４】
ガスタービンエンジンシステム１０の動作は、タービン１６、発電機２４、接触改質機構２８及び／又は周囲環境の様々な条件を検出する幾つかのセンサ２６により監視される。センサ２６として、ガスセンサ、温度センサ、流量センサ、速度センサ、火炎検出センサ、弁位置センサ、ガイドベーン角センサ、及び／又はガスタービンエンジンシステム１０の動作に関する様々なパラメータを検出するその他のセンサも含む。本明細書で使用する場合、「パラメータ」という用語は、その値によって所定の位置における温度、圧力、及びガス流量等のガスタービンエンジンシステム１０の動作条件が定まり得る物理特性を指す。
【００１５】
この実施例において、制御システム１８は、ハードウェア及び／又はソフトウェアに実装可能な通信リンク２９を介してセンサ２６と通信する。一実施形態において、通信リンク２９は、本明細書の内容から想到可能な当業者に周知の任意の有線又は無線通信プロトコルに従って、制御システム１８との間でデータ信号の遠隔通信を行う。このようなデータ信号には、制御システム１８に送信されるセンサ２６の動作条件を示す信号と制御システム１８からセンサ２６に伝達される様々なコマンド信号とが含まれる。
【００１６】
制御システム１８は、ディスプレイ１９と少なくとも１つの処理装置２３とを含むコンピュータシステムである。制御システム１８は、センサ入力と人間のオペレータからの命令とによって、プログラムを実行してガスタービンエンジンシステム１０の動作を制御する。ディスプレイ１９には、ユーザ入力選択装置として機能するユーザ入力機能が設けられる。この実施例において、ディスプレイ１９は、ディスプレイ１９上でのユーザの加圧接触に応答して選択的に機能を実行する。ディスプレイ１９として、従来の周知の態様で動作するキーパッドも含まれる。これにより、ユーザは、ディスプレイ１９の表面に触れることによって、制御システム１８で利用可能な所望の機能を操作できる。
【００１７】
本明細書に説明する実施形態において、メモリには、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のコンピュータ読取可能媒体と、フラッシュメモリ等のコンピュータ読取可能不揮発性メモリとが含まれるが、これらに限定されるわけではない。代替的に、フレキシブルディスク、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）も使用可能である。また、本明細書に記載の実施形態において、入力チャネルには、センサ及び／又はオペレータインターフェースに関連付けられたコンピュータ周辺機器が含まれるが、これらに限定されるわけではない。更に、この実施例において、出力チャネルには、制御装置、オペレータインターフェースモニタ、及び／又はディスプレイが含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００１８】
本明細書に記載の処理装置は、センサ、アクチュエータ、圧縮機、制御システム、及び／又は監視装置を含むがこれらに限定されない複数の電気装置及び電子装置から送信される情報を処理する。このような処理装置は、例えば制御システム、センサ、監視装置、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）キャビネット、及び／又は分散制御システム（ＤＣＳ）キャビネット内に物理的に設置される。ＲＡＭ及び記憶装置は、情報と処理装置により実行される命令とを格納及び伝達する。また、ＲＡＭ及び記憶装置を用いて、一時変数、静的な（即ち不変の）情報及び命令、又はその他の中間情報を格納すると共に、処理装置による命令実行時にこれを処理装置に供給する。命令シーケンスの実行は、ハードウェア回路とソフトウェア命令との任意の特定の組合せに限定されるわけではない。
【００１９】
図２は、ガスタービンエンジンシステム１０に用いられる例証的な接触改質機構２００を示すブロック図である。この実施例において、接触改質機構２００は、燃焼源２０６からの燃焼ガス２０４の改質に用いる接触改質装置２０２の故障の防止が容易になるように構成される。接触改質機構２００は、燃焼ガス２０４を接触改質装置２０２に導くように燃焼ガス源２０６と流体連通結合された少なくとも１つの接触改質装置２０２を含む。燃焼ガス源弁２１０は、接触改質装置２０２と燃焼ガス源２０６との間に配置されており、燃焼ガス２０４の流れを制御する。改質システムバイパス管路２１１は、燃焼ガス源２０６とまた別の改質システム２３６とに流体連通結合される。バイパス弁２１２は、また別の改質システム２３６への燃焼ガス源２０６の流れを制御するように、改質システムバイパス管路２１１に結合されると共に、燃焼ガス源２０６とまた別の改質システム２３６との間に配置される。酸化剤ガス源２１８は、酸化剤ガス２１６を接触改質装置２０２へと導くように接触改質装置２０２と流体連通結合される。燃焼ガス流２０８へと導かれる燃焼ガス２０４の量は燃焼ガス源弁２１０により制御され、改質システムバイパス管路２１１内の燃焼ガス２０４の量はバイパス弁２１２により制御される。この実施例において、燃焼ガス２０４はメタンを含む。別の実施形態において、燃焼ガス２０４は、接触改質装置２０２を本明細書に記載のように機能させ得るいかなる適切なガスを含んでもよい。更に、この実施例において、燃焼ガス流２０８は、弁２１０を通って接触改質装置２０２内に流入する。接触改質装置２０２は、触媒層２１３と、この触媒層２１３に配置された触媒物質２３８とを含む。酸化剤ガス源２１８からの酸化剤ガス２１６を接触改質装置２０２内に噴射するように、少なくとも１つの酸化剤ガス噴射器２１４が接触改質装置２０２及び酸化剤ガス源２１８と流体連通結合されており、これによって、酸化剤ガス２１６が燃焼ガス流２０８と混合され、酸化剤ガス２１６の一部分及び燃焼ガス流２０８の少なくとも一方を含む混合気２１５が生成される。接触改質装置２０２は、混合気２１５を触媒層２１３上に導いて、触媒作用により改質ガス２１７を生成する。この実施例において、酸化剤ガス２１６の量は、酸化剤ガス源弁２１９により制御される。このような実施例において、酸化剤ガス２１６は、実質的に純酸素を含む。別の実施形態において、酸化剤ガス２１６は、燃焼ガス２０４と一緒に用いて接触改質装置２０２内で本明細書に記載のように触媒作用を生じさせ得る、いずれの適切なガスを含んでもよい。更に、この実施例において、酸化剤ガス噴射器２１４には、触媒層２１３全体に酸化剤ガス２１６が実質的に均一に噴射されるように触媒層２１３全体に実質的に等間隔で配置された、触媒効率を向上させる格子状の噴射器が含まれる。
【００２０】
接触改質機構２００は更に、触媒層２１３に配置された、触媒層２１３の温度を測定する少なくとも１つの温度センサ２２０を含む。この実施例において、温度センサ２２０は熱電対である。別の実施形態においては、温度センサ２２０は、接触改質機構２００を本明細書に記載のように機能させ得る任意の適切なセンサであってよい。一実施形態において、接触改質機構２００は、触媒層２１３に配置された単一の温度センサ２２０のみを含む。この実施例において、接触改質機構２００は、触媒層２１３全体に及ぶ複数の点で温度を測定するように触媒層２１３にマトリックス状に配置された、複数の温度センサ２２０を含む。接触改質機構２００は更に、触媒層２１３の下流において改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定する、少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ２２２を含む。一実施形態において、単一の酸化剤ガスセンサ２２２が改質ガス弁２２４の上流に配置される。この実施例において、接触改質機構２００は、複数の異なる位置で改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するように触媒層２１３の出口平面２２５全体にわたる複数の異なる位置に配置された、複数の酸化剤ガスセンサ２２２を含む。
【００２１】
更に、この実施例において、接触改質機構２００は制御装置２２６を含み、この制御装置は、処理装置２２８と、メモリ領域２３０と、温度センサ２２０及び酸化剤ガスセンサ２２２に結合されたセンサ通信インターフェース２３２と、弁制御装置２３４を含む。この弁制御装置は、弁２１０を介した燃焼ガス２０４の流れと、弁２１２を介して改質システムバイパス管路２１１へと至る燃焼ガス２０４の流れと、弁２１９を介した酸化剤ガス２１６の流れと、弁２２４を介した改質ガス２１７の流れとを制御するように、弁２１０、２１２、２１９及び２２４に通信可能に結合されている。この実施例において、制御装置２２６は、触媒層２１３内の温度センサ２２０により測定された温度を示す温度センサ２２０からの信号を受け取ると共に、触媒作用後の触媒層２１３の下流における改質ガス２１７の流れの酸化剤ガス２１６のレベルを示す酸化剤ガスセンサ２２２からの信号を受け取る。更に、この実施例において、制御装置２２６は、温度センサ２２０から得られる測定温度及び／又は酸化剤ガスセンサ２２２から得られる酸化剤ガス２１６の測定レベルに基づいて、触媒層２１３の健全性を判定する。この実施例において、温度センサ２２０による測定温度が所定の安全閾値を下回る場合及び／又は酸化剤ガスセンサ２２２による酸化剤ガス２１６の測定レベルが所定の安全閾値を上回る場合、触媒層２１３の健全性が悪影響を受けると判定される。この実施例において、触媒層２１３の健全性判定と同時に、制御装置２２６は、この健全性判定に基づいて接触改質機構２００の安全対策オプションを決定する。
【００２２】
この実施例において、安全対策オプションは、燃焼ガス２０４及び／又は酸化剤ガス２１６の方向を、また別の接触改質機構及び／又はまた別の触媒層へと変えることを含むが、これを含むことのみに限定されるわけではない。別の実施形態において、安全対策オプションは、更に、バイパス管路２１１を用いて接触改質機構２００の接触改質装置２０２をバイパスさせることにより、ガスタービンエンジンシステム１０を、改質ガス２１７を用いることなく、なお且つ、ガスタービンエンジンシステム１０にとって不安全な可能性がある酸化剤ガス２１６のレベルにおいて改質ガス２１７に起因する悪影響の可能性を全く伴うことなく、燃焼ガス２０４を用いて動作させることも含む。その他の実施形態において、安全対策オプションは、触媒層２１３の温度と改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルとを改善できるように、触媒層２１３の触媒物質２３８を交換、調節及び／又は更新することも含む。更にまた別の実施形態において、安全対策オプションは、量の増減によって酸化剤ガス２１６の噴射量を調節すること及び／又は燃焼ガス２０４の量を調節することにより、触媒層２１３の温度と改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルとを改善させることを含む。更に、また別の実施形態において、安全対策オプションは、触媒層２１３の測定温度、触媒層２１３の下流における酸化剤ガス２１６の測定されたレベル、及び／又は触媒層２１３の健全性判定に基づいて、触媒層２１３の様々な位置における酸化剤ガス２１６の噴射量及び／又は燃焼ガス２０４の量を調節することを含む。様々な位置における酸化剤ガス２１６の噴射量を、こうした様々な位置における酸化剤ガス２１６の温度とレベルとに基づいて調節することにより、接触改質機構２００では、こうした様々な位置における健全性に基づいてその位置での触媒プロセス出力を増減させることができるようになり、触媒層２１３の耐用寿命と、安全対策オプション判定をトリガすることなく触媒層２１３が作用し得る期間を延長できる。
【００２３】
図３は、接触改質装置２０２の故障を防ぐ上で用いられる、接触改質機構２００の例証的な動作方法３００の流れ図である。この実施例において、方法３００は、或る量の酸化剤ガス２１６を燃焼ガス流２０８中に噴射して混合気２１５を生成するステップ３０２と、この混合気２１５を触媒層２１３に通して行き渡らせ、燃焼ガス流２０８と酸化剤ガス２１６との間の反応を促進することにより改質ガス２１７を生成するステップ３０４とを含む。また、この実施例において、方法３００は、触媒層２１３内に配置される少なくとも１つの温度センサ２２０を用いて触媒層２１３の温度を測定するステップ３０６と、触媒層２１３の下流において改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するステップ３０８とを含む。更に、この実施例において、方法３００は、触媒層２１３の測定温度及び／又は触媒層２１３の下流における改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６の測定されたレベルに基づいて、触媒層２１３の健全性を判定するステップ３１０を含む。加えて、ステップ３１２において、接触改質装置２０２の安全対策オプションを、触媒層２１３の健全性判定に基づいて決定する。
【００２４】
この実施例において、方法３００は更に、触媒層２１３に配置された複数の温度センサ２２０を用いて触媒層２１３の温度を測定するステップ３０６と、触媒層２１３の下流において触媒層２１３に対して複数の異なる位置で改質ガス２１７中の酸化剤ガス２１６のレベルを測定するステップ３０８とを含む。代替実施形態では、ステップ３０８において、触媒層２１３の温度と酸化剤ガス２１６のレベルをそれぞれ、単一のセンサを用いて測定する。更に、この実施例では、接触改質機構２００が触媒層２１３の測定温度は所定の安全閾値を下回ると判定した場合及び／又は測定された酸化剤ガス２１６のレベルは所定の安全閾値を上回ると判定した場合、ステップ３１０において、触媒層２１３の健全性が悪影響を受けると判定する。代替実施形態においては、酸化剤ガス２１６の噴射量及び燃焼ガス２０４の量の少なくとも一方を、ステップ３０６において測定された酸化剤ガス２１６の温度及び／又はステップ３０８において測定された酸化剤ガス２１６のレベル、及び／又は健全性判定３１０に従って、触媒層２１３の様々な位置で調節する。
【００２５】
上述のシステム及び方法により、接触改質装置の故障を防止するように接触改質機構を動作させることができる。このように、本明細書に記載の実施形態により、接触改質装置の監視が容易になると共に、安全な是正動作を実行して酸化剤ガススリップ（ｏｘｉｄｉｚｅｒ ｇａｓ ｓｌｉｐ）と改質ガス流の早期着火を防ぐことができる。具体的には、接触改質機構により、触媒層の温度と、改質流中に存在する、触媒作用を受けない酸化剤ガスのレベルとの監視が容易になると共に、様々な測定に基づいて安全な是正動作を実施することによって、触媒作用を完全には受けていない酸化剤ガスに起因する問題を減少させること及び／又は防止することができる。このように、ガスタービンエンジンシステムのメンテナンスコストの削減が促進される。
【００２６】
ガスタービンエンジンシステムに適用される接触改質機構の動作システム及び方法の実施例を上記に詳細に説明した。これらのシステム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるわけではなく、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップを本明細書に記載のその他の構成要素及び／又はステップとは別個独立に用いることができる。例えば、これらのシステム及び方法を、その他の燃焼システム及び方法と組み合わせて用いてもよく、本明細書に記載のガスタービンエンジンシステムに関連した実施のみに限定されるわけではない。むしろ、これらの実施例をその他多くの燃焼システム用途に関連させて実施及び使用することができる。
【００２７】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、図面によっては記載されていることも記載されていないこともあるが、これはあくまでも便宜上の理由による。本発明の原理に従って、或る図面上の任意の特徴を、その他の図面のいずれの特徴と組み合わせて参照すること及び／又はクレームすることもできる。
【００２８】
本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって、当業者は、あらゆる装置又はシステムの作製及び付随の方法の実施も含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に記載されており、当業者に想到可能なその他の例も包含する。こうしたその他の例も、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は請求項の文言と殆ど変わらない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
１０ ガスタービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 制御システム
１９ ディスプレイ
２０ 入口ダクト
２１ 入口ガイドベーン
２２ ロータ軸
２３ 処理装置
２４ 発電機
２６ センサ
２８ 接触改質機構
２９ 通信リンク
２００ 接触改質機構
２０２ 接触改質装置
２０４ 燃焼ガス
２０６ 燃焼ガス源
２０８ 燃焼ガス流
２１０ 燃焼ガス源弁
２１１ 改質システムバイパス管路
２１２ バイパス弁
２１３ 触媒層
２１４ 酸化剤ガス噴射器
２１５ 混合気
２１６ 酸化剤ガス
２１７ 改質ガス
２１８ 酸化剤ガス源
２１９ 酸化剤ガス源弁
２２０ センサ
２２２ 酸化剤ガスセンサ
２２４ 改質ガス弁
２２５ 出口平面
２２６ 制御装置
２２８ 処理装置
２３０ メモリ領域
２３２ センサ通信インターフェース
２３４ 弁制御装置
２３６ 別の改質システム
２３８ 触媒物質
３００ 方法
３０２ 酸化剤ガスを燃焼ガス流中に噴射する
３０４ ガス流を触媒層全体に導く
３０６ 触媒層の温度を測定する
３０８ 改質流中の酸化剤ガスのレベルを測定する
３１０ 触媒層の健全性を判定する
３１２ 安全対策オプションを決定する
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンシステム（１０）に適用される接触改質機構（２８、２００）であって、
燃焼ガス（２０４）の流れを自身へと導くように燃焼ガス源（２０６）と流体連通結合された接触改質装置（２０２）であって、触媒層（２１３）を含む接触改質装置（２０２）と、
或る量の酸化剤ガスを前記接触改質装置内に噴射して前記酸化剤ガス及び前記燃焼ガスの少なくとも一方を含む混合気を生成するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの噴射器（２１４）であって、前記混合気が前記触媒層を通して導かれることで改質流が生成される、少なくとも１つの噴射器（２１４）と、
前記触媒層の温度を測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの温度センサ（２６）と、
前記改質流中の前記酸化剤ガスのレベルを測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ（２２２）と、
前記温度センサと前記酸化剤ガスセンサとに結合された制御装置（２２６）であって、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて前記触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置（２２６）と、を含む接触改質機構（２８、２００）。
【請求項２】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層（２１３）の前記健全性判定に基づいて前記接触改質機構の安全対策オプションを決定するように構成される、請求項１に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項３】
前記触媒層（２１３）に配置された複数の温度センサ（２６）を更に含む、請求項１に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項４】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層の温度が所定の安全閾値を下回るという判定及び前記酸化剤ガス（２１６）の測定された前記レベルが所定の安全閾値を上回るという判定の少なくとも一方に基づいて、前記触媒層（２１３）の前記健全性を判定するように構成される、請求項１に記載の接触改質機構（２８、３００）。
【請求項５】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記燃焼ガス（２０４）及び前記酸化剤ガス（２１６）の少なくとも一方の向きを、別の接触改質機構及び別の触媒層（２１３）の少なくとも一方へと変えるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項６】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記接触改質機構がバイパスされるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項７】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記酸化剤ガスの噴射量の調節及び前記燃焼ガスの量の調節の少なくとも一方が実行されるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項８】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層温度、前記酸化剤ガスレベル、及び前記健全性判定の少なくとも１つに基づいて、噴射される前記酸化剤ガス（２１６）及び前記燃焼ガス（２０４）の少なくとも一方の量を、前記触媒層（２１３）に対して異なる位置において調節するように構成される、請求項７に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項９】
圧縮機（１２）と、
前記圧縮機から排出される空気の少なくとも一部を受け取るように前記圧縮機と流体連通している燃焼器（１４）と、
前記燃焼器と流体連通結合された接触改質機構（２８、２００）であって、
燃焼ガスの流れを自身へと導くように燃焼ガス源（２０６）に流体連通結合された接触改質装置（２０２）であって、少なくとも１つの触媒層（２１３）を含む接触改質装置（２０２）と、
或る量の酸化剤ガス（２１６）を前記接触改質装置内に噴射して前記酸化剤ガス及び前記燃焼ガス（２０４）の少なくとも一方を含む混合気を生成するように、前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの噴射器（２１４）であって、前記混合気が前記触媒層を通して導かれることで改質流が生成される、少なくとも１つの噴射器（２１４）と、
前記触媒層の温度を測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの温度センサ（２６）と、
前記改質流中の前記酸化剤ガスのレベルを測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ（２２２）と、
前記温度センサと前記酸化剤ガスセンサとに結合された制御装置（２２６）であって、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて前記触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置（２２６）とを含む、接触改質機構（２８、２００）と、
を含むガスタービンエンジンシステム（１０）。
【請求項１０】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層（２１３）の前記健全性判定に基づいて前記接触改質機構（２８、２００）の安全対策オプションを決定するように構成される、請求項９に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
【請求項１】
ガスタービンエンジンシステム（１０）に適用される接触改質機構（２８、２００）であって、
燃焼ガス（２０４）の流れを自身へと導くように燃焼ガス源（２０６）と流体連通結合された接触改質装置（２０２）であって、触媒層（２１３）を含む接触改質装置（２０２）と、
或る量の酸化剤ガスを前記接触改質装置内に噴射して前記酸化剤ガス及び前記燃焼ガスの少なくとも一方を含む混合気を生成するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの噴射器（２１４）であって、前記混合気が前記触媒層を通して導かれることで改質流が生成される、少なくとも１つの噴射器（２１４）と、
前記触媒層の温度を測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの温度センサ（２６）と、
前記改質流中の前記酸化剤ガスのレベルを測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ（２２２）と、
前記温度センサと前記酸化剤ガスセンサとに結合された制御装置（２２６）であって、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて前記触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置（２２６）と、を含む接触改質機構（２８、２００）。
【請求項２】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層（２１３）の前記健全性判定に基づいて前記接触改質機構の安全対策オプションを決定するように構成される、請求項１に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項３】
前記触媒層（２１３）に配置された複数の温度センサ（２６）を更に含む、請求項１に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項４】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層の温度が所定の安全閾値を下回るという判定及び前記酸化剤ガス（２１６）の測定された前記レベルが所定の安全閾値を上回るという判定の少なくとも一方に基づいて、前記触媒層（２１３）の前記健全性を判定するように構成される、請求項１に記載の接触改質機構（２８、３００）。
【請求項５】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記燃焼ガス（２０４）及び前記酸化剤ガス（２１６）の少なくとも一方の向きを、別の接触改質機構及び別の触媒層（２１３）の少なくとも一方へと変えるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項６】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記接触改質機構がバイパスされるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項７】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記健全性判定に基づいて、前記酸化剤ガスの噴射量の調節及び前記燃焼ガスの量の調節の少なくとも一方が実行されるように構成される、請求項４に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項８】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層温度、前記酸化剤ガスレベル、及び前記健全性判定の少なくとも１つに基づいて、噴射される前記酸化剤ガス（２１６）及び前記燃焼ガス（２０４）の少なくとも一方の量を、前記触媒層（２１３）に対して異なる位置において調節するように構成される、請求項７に記載の接触改質機構（２８、２００）。
【請求項９】
圧縮機（１２）と、
前記圧縮機から排出される空気の少なくとも一部を受け取るように前記圧縮機と流体連通している燃焼器（１４）と、
前記燃焼器と流体連通結合された接触改質機構（２８、２００）であって、
燃焼ガスの流れを自身へと導くように燃焼ガス源（２０６）に流体連通結合された接触改質装置（２０２）であって、少なくとも１つの触媒層（２１３）を含む接触改質装置（２０２）と、
或る量の酸化剤ガス（２１６）を前記接触改質装置内に噴射して前記酸化剤ガス及び前記燃焼ガス（２０４）の少なくとも一方を含む混合気を生成するように、前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの噴射器（２１４）であって、前記混合気が前記触媒層を通して導かれることで改質流が生成される、少なくとも１つの噴射器（２１４）と、
前記触媒層の温度を測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの温度センサ（２６）と、
前記改質流中の前記酸化剤ガスのレベルを測定するように前記接触改質装置に結合された少なくとも１つの酸化剤ガスセンサ（２２２）と、
前記温度センサと前記酸化剤ガスセンサとに結合された制御装置（２２６）であって、触媒層温度及び酸化剤ガスレベルの少なくとも一方に基づいて前記触媒層の健全性を判定するように構成された制御装置（２２６）とを含む、接触改質機構（２８、２００）と、
を含むガスタービンエンジンシステム（１０）。
【請求項１０】
前記制御装置（２２６）は、更に、前記触媒層（２１３）の前記健全性判定に基づいて前記接触改質機構（２８、２００）の安全対策オプションを決定するように構成される、請求項９に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１６８４７９（Ｐ２０１１−１６８４７９Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６６２１（Ｐ２０１１−２６６２１）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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