JP2006515659A - 複数燃焼室触媒ガスタービンエンジンのための動的制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

触媒燃焼システムを制御する方法は、触媒燃焼室（２−６）と対応するプレバーナー（２−２０）の下流の燃料−空気混合物の特徴を決定する工程、およびこの特徴に基づくプレバーナー（２−２０）への燃料流れ（２−２４）を調整する工程を含み、この特徴は、プレバーナー出口温度、または燃焼終了ゾーンの燃焼波の位置を含み得る。１つの実施形態では、この方法は、複数燃焼室システム中の触媒燃焼室に対応するプレバーナーの下流の温度を決定する工程、およびこの温度に基づき該プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為を包含する。

Description

（背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、燃焼制御システムに関し、そしてより詳細には、複数燃焼室プロセスとの使用のための動的制御および方法に関し、それらは、触媒燃焼室をともなうガスタービンエンジンに関連し、かつそれによって利用される。

（関連する技術の説明）
従来のガスタービンエンジンでは、エンジンは、エンジン速度をモニターすること、およびエンジン速度を制御するために適正な量の燃料を添加することによって制御されている。詳細には、エンジン速度が減少すると、燃料流れが増加され、エンジン速度を増加させる。同様に、エンジン速度が増加すると、燃料流れが低減され、エンジン速度を減少させる。この場合、エンジン速度は、制御のためにモニターされる制御変数またはプロセス変数である。

エンジン速度が、グリッド頻度に対する発電機のカップリングの結果として一定に保持される、ＡＣ電気グリッドにガスタービンが連結されるとき、同様のエンジン制御戦略が用いられる。このような場合、エンジンへの総燃料流れは、所定のパワー出力レベルを提供するため、または最大パワーまで稼動するよう制御され得、このような制御は、排気ガス温度、タービン入口温度、または特定のその他のエンジンの基本を制御することに基づく。先と同様に、制御変数がセットポイントを超えて上昇するとき、燃料は減少される。あるいは、制御変数がセットポイント未満に低下するとき、燃料流れは増加される。この制御戦略は、本質的にフィードバック制御であり、燃料制御バルブは、セットポイントと比較される制御またはプロセス変数の値に基づき変動される。

拡散炎バーナーまたは単純な過薄混合気バーナーを用いる非触媒燃焼室システムでは、燃焼室は唯一の燃料インジェクターを有する。このようなシステムでは、代表的には、単一のバルブを用いてエンジンへの燃料流れを制御する。しかし、より最近の過薄混合気バーナーシステムは、燃焼室の異なる部分への２つ以上の燃料流れが存在し得、このようなシステムでは、それ故、２つ以上の制御バルブを有する。このようなシステムでは、閉鎖ループ制御は、ガスタービンの要求されるパワー出力に基づく総燃料流れを制御することに基づき得、その一方、固定された（予備算出された）％の流れが、燃焼室の種々の部分にそらされる。さらに、（燃焼室の種々の部分に至る）種々の燃料経路間の所望の燃料分割％は、特定の入力変数の関数であるか、またはそれらは、温度、空気流れ、圧力などのようなプロセス入力を用いる算出アルゴリズムに基づき得る。このような制御システムは、主に、これら従来の燃焼室の非常に広い操作範囲、および種々のタービンコンポーネントへの損傷なくして高温の短スパイクに耐えるタービンの能力に起因して制御の容易さを提供する。さらに、これらの燃焼室に供給される燃料／空気比は、残存する燃焼室操作因子とともに広範な範囲に亘り遊離に変動し得る。

従来の非触媒燃焼室をもつ産業用ガスタービンの形態は、単一サイロ形態、すなわち、上記で論議されたような１つの燃焼室から複数燃焼室形態まで変動する。しかし、産業上またはその他の適用の、触媒燃焼室をもつガスタービンエンジンは、単一サイロ形態に限定されている。例えば、Ｋａｗａｓａｋｉ Ｍ１Ａ−１３ＸおよびＧＥ１０（ＰＧＴ １０Ｂ）ガスタービンエンジンがある。適正に操作された単一サイロ触媒燃焼シテスムは、従来の拡散炎または過薄混合気バーナーに対し特にＮＯ_Ｘの有意に低減された放出レベルを提供し得る。しかし、不幸なことに、このようなシステムは、従来の拡散炎燃焼室と比較してかなりより制限された操作ウインドウを有し得る。例えば、特定の制限を超える燃料／空気比は、触媒を過熱させ、そして非常に短時間に触媒能力を失わせ得る。さらに、触媒入口温度は、ＮＯ_ｘ産生を低く維持するために、エンジン負荷が変更されるとき、または周囲温度もしくはその他の操作条件が変化するときに調整されなければならないかも知れない。

複数燃焼室形態における触媒燃焼室の適用は、いくつかのさらなる問題を課す。例えば、複数燃焼室形態では、代表的には、燃焼室毎に、複数燃焼室に亘る、プレバーナー点火、触媒着火、および／または燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼における変動に至り得る。さらに、燃焼室サイズは、代表的には、燃焼室の設計に複雑さを付加する燃焼室毎の物理的妨害を防ぐために減少される。燃焼室サイズの減少は、燃焼終了ゾーンにおけるフレームホルダーおよび単一ステージ触媒設計により達成され得る。単一ステージ触媒設計を補充するため、増加したターンダウン比をもつプレバーナーが一般に用いられる。これらの設計変更は、プレバーナーおよび／または触媒後の均一燃焼室燃焼終了ゾーンのより複雑な制御を必要とする。従って、必要なのは、複数燃焼室システムにおける触媒燃焼室を制御するための方法およびシステムである。

（発明の簡単な要旨）
１つの局面によれば、複数燃焼室触媒燃焼システムを制御する方法は、触媒燃焼室に対応するプレバーナーの下流の燃料−空気混合物の特徴を決定する工程、およびこの特徴に基づきプレバーナーへの燃料流れおよび／または空気流れを調整する工程を含む。この特徴は、例えば、プレバーナーまたは触媒出口温度の測定、または燃焼室の燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼波の位置の決定を含む。

別の局面によれば、複数燃焼室触媒燃焼システムを制御する方法は、このシステムの少なくとも１つの燃焼室のための操作の第１の特徴を決定する工程、全体システムのための操作の第２の特徴を決定する工程、およびこの第１の特徴および第２の特徴からのフィードバックに基づきこのシステムを制御する工程の行為を含む。第１の特徴は、触媒の出口温度などを含み得、そしてこの第２の特徴は、ＣＯ放出などの尺度を含み得る。

本発明は、添付の図面および請求項と組み合わせて以下の詳細な説明の考慮に際し、より良好に理解される。

（発明の詳細な説明）
本発明は、触媒複数燃焼室システムおよび操作の関連する方法を提供する。以下の説明は、当業者が本発明をなし、かつ使用することを可能にするために提示される。詳細な適用の説明は、例示としてのみ適用される。例示の実施形態に対する種々の改変は当業者に容易に明らかであり、そして本明細書中に規定される一般的原理は、本発明の思想および範囲から逸脱することなくその他の例および適用に適用され得る。従って、本発明は、これらの例に制限されることは意図されず、本明細書に開示される原理および特徴に一致して最も広い範囲に従うことが意図される。

例示の方法およびシステムは、本明細書中に、ガスタービンエンジンのための複数燃焼室触媒燃焼システム形態の効率的な適用のための改良された制御戦略のために記載される。本明細書中に記載される種々の方法は、燃焼室に対応する複数プレバーナーを点火すること、および制御すること、ならびに複数燃焼室に亘る燃焼終了ゾーンにおける一様な均一燃焼を達成することに関する問題を取り扱う。

図１は、例示の触媒複数燃焼室ガスタービンシステムを概略的に示す。コンプレッサー１−１は、コンプレッサーのベルマウスを通じて周囲空気１−２を摂取し、そしてこの空気をより高い圧力に圧縮し、そしてこの圧縮された空気を、少なくとも一部、２つ以上の燃焼室１−３を通じ、および駆動タービン１−４を通じて駆動する。２つだけの燃焼室１−３が示されるけれども、このガスタービンエンジンは、従来の複数チャンバーガスタービンエンジンの技術分野で公知のように、このガスタービンの周縁の周りに任意の数の複数の燃焼室１−３を含み得る。各燃焼室１−３は、燃料および空気１−２を混合し、そしてこの混合物を燃焼してタービン１−４を通る熱い高速のガス流れを形成する。この高速のガス流れは、パワーを提供し、タービン１−４および負荷１−５を駆動する。負荷１−５は、例えば、発電機などであり得る。

図２は、図１の複数燃焼室形態の１つの燃焼室１−３の拡大図である。詳細には、図２に示されるように、触媒燃焼室２−６が提供される。この例では、触媒燃焼室２−６は、コンプレッサー排出２−１４からの空気の少なくとも一部分の流れ経路に連続的に整列される４つの主要要素を含む。詳細には、これら４つの要素は、例えば、炎プレバーナーであるプレバーナー２−２０（これは、触媒の上流に配置され、そして熱いガス混合物２−７を生成する）、燃料注入および混合システム２−８、触媒２−１０、および燃焼終了ゾーン２−１１を含む。燃焼システムから出る熱いガスは、駆動タービン２−１５中に流れ、負荷を駆動し得るパワーを生成する。１つの例では、２つの独立して制御される燃料流れがあり、示されるように、１つの流れ２−２４はプレバーナー２−２０に向かい、そして他方の流れ２−２５は触媒燃料注入および混合システム２−８に向かう。さらに、いくつかの例では、複数プレバーナーゾーンまたは燃料ステージが、プレバーナー２−２０の各燃料ステージのためのさらなる独立に制御される燃料流れとともに採用され得る。

１つの例では、触媒燃焼室２−６は、一般に、以下の様式で作動し得る。ガスタービンコンプレッサー排出物２−１４は、プレバーナー２−２０および触媒２−１０を通って流れる。プレバーナー２−２０は、ガスタービンをスタートアップすることを支援し、そして位置２−９で触媒２−１０の前で空気および燃料の混合物の温度を調整するよう機能する。例えば、プレバーナー２−２０は、空気および燃料の混合物を主燃料流れ２−２５の触媒燃焼を支援するレベルまで加熱し、これは、触媒２−１０に侵入する前に炎バーナー排出ガスが注入され、かつ混合される（触媒燃料注入および混合システム２−８による）。プレバーナー２−２０はさらに、例えば、このプレバーナー２−２０への燃料および空気供給を変動することにより、触媒２−１０入口温度を調整するために用いられ得る。各燃焼室２−６の点火は、当該技術分野で公知のように、種々の燃焼室２−６を連結する交差発火チューブ（示さず）と組み合わせたスパークプラグなどの手段によって達成され得る。

触媒２−１０では、燃料／空気混合物の部分的燃焼が起こり、触媒２−１０の出口面の下流に位置する燃焼終了ゾーン２−１１で燃焼の平衡が生じる。代表的には、燃料の１０％〜９０％が触媒２−１０中で燃焼される。例えば、良好な触媒耐久性を得ながら、低放出を達成することを含むガスタービン操作サイクルの一般的要求に適合するため、２０％〜７０％の燃料が触媒２−１０で燃焼され、そして１つの例では、約３０％〜約６０％の間で、触媒２−１０中で燃焼される。種々の局面では、触媒２−１０は、（示されるような）単一ステージ、または燃焼室２−６内に連続して位置決めされる複数触媒２−１０を含む複数ステージ触媒のいずれかから構成され得る。

任意の残りの燃料の反応は、この触媒中では燃焼せず、そして任意の残りの一酸化炭素から二酸化炭素への反応は、燃焼終了ゾーン２−１１で生じ、それによって、有利には、より高い温度を、触媒をこれら温度にすることなく得、そして非常に低いレベルの非燃焼炭化水素および一酸化炭素を得る。完全な燃焼が燃焼終了ゾーン２−１１で生じた後、任意の冷却空気または残存するコンプレッサー放出空気が、代表的には、タービン入口のすぐ上流に位置する２−１５で熱いガス流れ中に導入され得る。さらに、所望であれば、空気が、必要に応じて、位置２−１５で、タービンセクションによって要求される温度プロフィールを調整するための手段として、タービン入口２−１５に近接する位置で直線壁２−２７を通じて導入され得る。温度プロフィールを調整するためのこのような空気導入は、パワータービン２−１５のための設計パラメータの１つであり得る。タービン２−１５の近くの領域で直線壁２−２７を通じて空気を導入する別の理由は、２−１５で非常に低い入口温度をもつタービンのためであり得る。例えば、いくつかのタービンは、燃焼終了ゾーン２−１１の滞留時間内に残存する非燃焼炭化水素および一酸化炭素を完全に燃焼するには低すぎる温度である９００〜１１００℃の範囲のタービン入口温度を有する。これらの場合には、空気の有意なフラクションが、タービン２−１５に近い領域中に直線壁２−２７を通じて転送され得る。これは、残存する燃料および一酸化炭素の迅速かつ完全な燃焼のために領域２−１１中のより高い温度を許容する。

図３は、図１および図２に示されるシステムに対応する代表的な現存する部分的燃焼触媒システムの例を示し、そして以下により詳細に論議される。このようなシステムでは、燃料の一部分のみが触媒内で燃焼され、そして燃料の大部分が、触媒の下流の触媒後均一燃焼ゾーンにおいて燃焼される。部分的燃焼触媒システムのさらなる例、およびそれらの使用へのアプローチは、同時係属中の特許出願および先行する特許、例えば：Ｄ．Ｙｅｅらによる米国特許出願第１０／０７１，７４９号；Ｄａｌｌａ Ｂｅｔｔａらによる米国特許第５，１８３，４０１号、同第５，２３２，３５７号、同５，２５０，４８９号、および同第５，２８１，１２８号；およびＴｓｕｒｕｍｉらによる米国特許第５，４２５，６３２号に記載され、これらすべては、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。

（Ｉ．複数プレバーナーの点火および制御：）
各燃焼室内に位置決めされる点火器は、各燃焼室の炎バーナーまたはプレバーナーを点火し得る。例えば、図２のプレバーナー２−２０は、燃焼室２−６内に位置決めされる点火器（示さず）によって点火され得る。その他の形態では、点火器は、各プレバーナー２−２０が完全に点火されたプレバーナー２−２０との物理的接触するように、他の燃焼室２−６毎に燃焼室間の配置される交差発火チューブとともに、または点火器と交差炎チューブとの任意のその他の組み合わせで位置決めされ得る。プレバーナー２−２０点火の確認は、プレバーナー２−２０「炎」領域中に配置された熱電対、ＵＶセンサーを用いるプレバーナー２−２０出口温度の測定、またはプレバーナー点火を確認する任意のその他の適切な方法により決定され得る。

各燃焼室２−６のプレバーナー２−２０への燃料流れは、各プレバーナー２−２０の点火の間に制御され得、そしてその後、プレバーナー２−２０の出口温度および触媒２−１０に入る燃料−空気混合物の入口温度を制御する。いくつかの例では、各燃焼室２−６のプレバーナー２−２０は、２つ以上の燃料ステージを含み得、複数燃焼室システムにおける点火および制御プロセスに複雑さを付加する。操作の１つの例示の方法では、理論的炎温度制御が第１のステージで用いられ、ＮＯ_Ｘを制御する。このような方法は、同時係属中の米国特許出願第１０／０７１，７４９号中により詳細に記載され、これは、参考として本明細書中にその全体が援用される。第３のステージへの燃料流れはゼロに制限され、その一方、第２のステージでは、第２のステージの燃料流れ、出口温度、プレバーナー温度上昇、または理論的炎温度の制限まで、閉鎖ループ温度制御を実施することを可能にする。第２の燃料流れ（または理論的炎温度）は、次いで、固定され得、そして第３ステージの燃料流れが開始される。閉鎖ループ温度制御が、次いで、プレバーナー２−２０の出口温度に対して実施され得、プレバーナーへの燃料流れを決定する。

別の例示の操作の方法では、プレバーナーへの総燃料流れは、プレバーナー２−２０出口温度に対する閉鎖ループ制御に基づく。この総プレバーナー燃料流れは、以下の表中に示されるような例示の固定された燃料分割スケジュールに基づいてプレバーナーの各ステージに分与される：

上記の方法および表は例示に過ぎないこと、そしてその他の類似のスケジュールおよび方法が本発明の範囲内で用いられ得、複数燃焼室を点火および制御することが当業者によって認識されるべきである。例えば、各ステージについて異なる比が、およびより少ないまたはさらなるプレバーナーステージが用いられ得る。さらに、点火プロセスを制御することに加え、上記の方法は、触媒入口温度を、そしてそれによってプレバーナー下流の触媒燃焼プロセスを制御するために用いられ得る。

複数燃焼室システム中の各燃焼室２−２６の各プレバーナー２−２０は、複数の燃焼室に亘り、同様のプレバーナー出口温度、触媒入口温度、または触媒出口温度を確実にするために同様に制御され得る。各燃焼室のプレバーナー出口温度Ｔ３４、触媒入口温度Ｔ３６、触媒インターステージまたは触媒出口温度Ｔ３７（図２を参照のこと）に対する閉鎖ループ温度制御は、（各ステージについて単一または複数バルブの）燃料バルブ制御により、各燃焼室のプレバーナーを制御するために用いられ得、そしてそれによって、複数燃焼室システム内の燃焼室毎の変動を補償する。触媒出口ガス温度Ｔ３７フィードバックに基づく閉鎖ループ制御のための１つの例示の方法が図５に示される。

図５に見られるように、燃焼室プロセス５−２の複数燃焼室は、温度測定、燃料流れおよび／または空気流れ算出などのような種々の因子から、主燃料流れ、すなわち触媒への流れ、および第２の燃料流れ、すなわち、プレバーナーへの流れを決定することにより制御される。この例では、燃焼室への総燃料流れに基づく固定された燃料分割スケジュールは、ブロック５−６からの出力である。燃料スケジュールは、エンジン負荷などのような制御変数に基づくプレバーナーおよび触媒への燃料要求を決定するための固定された燃料スケジュールを含む種々のスキームを有し得る。

ブロック５−４は、主燃料流れＷｆ、主要、すなわち、触媒への流れを、燃焼室への総燃料流れと、第１および第２のプレバーナーへの個々の燃料流れの合計との間の差異として決定する。例えば、総燃料流れＷｆ、ｔｏｔおよび第１ステージの燃料バルブＷｆ、ｐｒｉ（または第１プレバーナー）への燃料流れは、ブロック５−６からブロック５−４への入力である。ブロック５−１４における第２の燃料流れスイッチの出力から決定された第２ステージ燃料バルブＷｆ、ｓｅｃ（または第２プレバーナー）への燃料流れは、第１プレバーナー燃料流れＷｆ、ｐｒｉに添加される。

第２ステージ燃料バルブＷｆ、ｓｅｃへの燃料流れは、ブロック５−１４において、ブロック５−１８からの触媒出口温度Ｔ３７に基づく閉鎖ループフィードバック制御の出力と、ブロック５−１２からの固定されたオフセット第２燃料要求との間のスイッチングによって決定される。ブロック５−１４の出力は、ブロック５−１２からの出力と、ブロック５−１０の出力に基づくブロック５−１８との間をスイッチする。ブロック５−１０は、このシステムが定常状態で作動しているか否か、およびシステムの空気バイパスバルブがその最大位置、すなわち、流れ能力における最大近くにあるか否かを決定する。バイパスバルブが含まれない例では、この最大はゼロで設定され得る。ブロック５−１２で用いられる燃料流れオフセットは、ブロック５−２０で、現在の第２の燃料要求と、ブロック５−６からの基礎エンジン負荷制御ロジック出力からの第２の燃料要求との間の差異によって決定される。このオフセットは、例えば、不揮発性メモリ５−２２などのメモリ中に記憶され得、その結果、それは、コントローラーがリセットされた後呼び出され得る。

第２ステージへの燃料流れのための要求スケジュールは、少なくとも部分的には、触媒出口温度Ｔ３７から決定され得、そしてブロック５−１６におけるフィードバックとして用いられる。この例におけるブロック５−１６の出力は、プレバーナー出口温度要求Ｔ３４の形態にある。従って、ブロック５−１８は、プレバーナー出口温度Ｔ３４に対する閉鎖ループ制御を実施し、そしてブロック５−１４において第２燃料流れスイッチへの第２プレバーナー燃料流れ要求を出力する。

閉鎖ループ制御は、触媒入口温度の測定とともに用いられることにより同様であり得る（図５では示されず）。さらに、図５に描写される複数燃焼室フィードバックプロセスは、バイパスバルブを制御するためのバイパスバルブロジック５−８を含み得る。例示のバイパスバルブプロセスは、図７に描写される。

記載されるフィードバック制御方法は、種々の方法を実施するために適切な、ハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアで履行され得る。例えば、ファームウェア指令などは、種々の燃料バルブおよび燃焼室を取り扱うために用いられ得る。

別の例示の方法によれば、各燃焼室への燃料流れは、各燃焼室の空気流れに一致され得る。詳細には、プレバーナーの第１、第２、および第３ステージ燃料多岐管は、燃焼室空気流れへの燃料流れを「一致する」ような形態である燃料流れオリフィスを含み得る。例えば、より多い空気流れをもつ燃焼室はより大きな燃料オリフィスを有し得、そしてより少ない空気流れをもつ燃焼室はより小さな燃料オリフィスを有し得る。この燃料流れオリフィスは、次いで、工場承認試験、試運転などの間に調整され得、燃焼室空気流れに一致する。燃料流れオリフィスを調整することは、燃焼室あたりの燃料バルブの総数を低減し得る。例えば、１つの例では、単一の燃料バルブが、各燃焼室の各プレバーナーステージについて用いられ得る。１つの燃焼室から測定されたプレバーナー出口温度（または触媒入口温度など）に対する閉鎖ループ温度制御は、システム中のすべての燃焼室について同じかまたは類似であり得る。１つの燃焼室の閉鎖ループ温度制御は、従って、１つの燃焼室の測定に基づきすべての燃焼室を同様に制御するために用いられ得る。さらに、制御は、全体的測定またはシステムの特徴、例えば、システムの放出レベルまたは排気温度に基づき得る。しかし、この例では、各燃焼室への変動する空気および燃料流れのために、質量流れになお燃焼室毎の変動が存在し得る。いくつかの例では、しかし、燃料オリフィスの調整後の複数燃焼室に亘る最小から最大質量流れの範囲は、ＣＯ放出に合致することがほとんどない最大質量流れ燃焼室および触媒をほぼ過熱する最小質量流れに至るには大き過ぎるかも知れない。この場合には、最小および最大の燃焼室がモニターされ、かつ制御され得る。例えば、最小触媒燃焼室がその最大温度であるまでＴ３４／バイパス流れを増加し、そして次に、最大触媒モジュールがその最小温度であるまで、またはバルクＣＯ測定が上昇するまでＴ３４／バイパス流れを減少する。

あるいは、別の例示の方法によれば、空気流れは、燃焼室への燃料流れに一致され得る。例えば、プレバーナー希釈ホールが、先の例における燃料多岐管オリフィスを一致することに類似の様式で「調整」され得る。この希釈ホールのサイズ、形状などを変動することは、燃焼室を通る空気流れが変動されることを可能にする。この例では、プレバーナーは、例えば、希釈ホールを調整すること、すなわち、希釈ホールを開ける、そして／または閉鎖することにより、プレバーナーの空気力学および構造性能が損なわれないことを確実にするように設計され得る調整可能または調節可能な希釈ホールを含み得る。この希釈ホールは、例えば、複数のホール、狭窄され得るオリフィス、空気流れを転換するベインなどを含み得る。例えば、任意の１つの燃焼室に対するプレバーナー出口温度に対する閉鎖ループ温度制御は、システム中のすべての燃焼室について、すべての燃焼室が１つの燃焼室の閉鎖ループ温度制御に基づいて制御され得るように同じであり得る。燃料流れを空気流れに一致するための燃料オリフィスを調整することを含めた先の例とは異なり、燃料流れに一致するために空気流れを調整することは、燃焼室毎から類似の質量流れを生じる。

（ＩＩ．燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼：）
本発明の別の局面によれば、複数燃焼室触媒燃焼制御方法およびシステムが提供され、燃焼終了ゾーンにおける一様な燃焼室毎の均一燃焼を確実にする。

図３を再び参照して、単純化した部分的燃焼触媒システムの直線状の概略表示が、そこには以下の流れ経路に沿った種々の位置におけるガス温度および燃料濃度とともに示される。空気３−７は、燃焼室３−２６に入り、そして燃料を流れる空気流れ中に注入する燃料注入および混合システム３−８を通過する。燃料の一部分は、触媒３−１０中で燃焼され、それが触媒３−１０を通過するとき、ガス混合物の温度が増加する。観察され得るように、触媒３−１０を出る混合物は、上昇した温度にある。この燃料／空気混合物は、触媒後燃焼終了ゾーン３−１１中で自己点火を行う残存非燃焼燃料を含む。この燃焼終了ゾーン３−１１は、触媒の下流ではあるが、しかしさらなる空気の導入の前であって、かつ触媒を出るガス混合物がさらなる反応を行い得るタービンの前の流れ経路の部分を含む。燃料は、燃焼終了ゾーン３−１１中で燃焼され、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを含む最終反応産物を形成し、温度は均一な燃焼プロセス波３−３０（触媒を出る残存する非燃焼燃料が燃焼される領域）で最終燃焼温度３−３１まで上昇する。得られる燃焼終了ゾーン３−１１中の熱い高エネルギーガスは、パワータービンおよび負荷を駆動し得る（例えば、図１中の１−４および１−５）。

図３の下の部分は、縦座標に示されるガス温度、および横座標上に示される燃焼室に沿った位置または燃焼室を通る流れ経路を示すグラフである。グラフの位置は、直接その上の直線状の燃焼室の図にほぼ対応する。観察され得るように、ガス温度は、混合物が触媒３−１０および混合物燃焼物の部分を通過するとき増加する。しかし、触媒３−１０の下流では、この混合物温度は、残りの燃料燃焼物が均一燃焼プロセス波３−３０を形成する前、代表的には点火遅延時間３−３２、ｔ_{ｉｇｎｉｔｉｏｎ}と称される期間の間、一定である。燃焼終了ゾーン３−１１におけるこの混合物の燃焼は、それによって、ガス温度をさらに上昇する。

この燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼は、触媒を出るガスの点火遅延時間によって主に決定される。この点火遅延時間および触媒を出る状態は、均一燃焼プロセス波の位置が移動され得、そして触媒後反応ゾーン内の所望の位置または位置の範囲で維持されるように制御され得る。均一燃焼プロセス波３−３０の位置は、従って、例えば、ガス組成、圧力、触媒出口温度、および断熱燃焼温度を変更することにより移動され得る。例えば、触媒出口温度を増加することにより、均一燃焼プロセス波の位置を触媒により近く移動するか、または触媒出口温度を減少することは、それを触媒からさらに遠く下流に移動する。このようにして、本発明の制御システムは、低放出を維持しながら、良好な触媒耐久性のために所望の操作体制内で複数燃焼室に亘る触媒操作を有利に維持する。詳細には、このような体制で操作するとき、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ、および非燃焼炭化水素の放出は、触媒の耐久性を維持しながら、低減され得る。

１つの例では、この均一燃焼プロセス波は、触媒のすぐ下流に位置決めされる、燃焼室の長い反応ゾーンまたは容積が必要であるほど遠い下流にはない。点火遅延時間は、少なくとも部分的には、ガス組成（すなわち、燃料対空気混合物）、燃焼室内のガス圧、触媒出口ガス温度、および断熱燃焼温度（混合物中のすべての燃料が周辺への熱エネルギー損失なくして燃焼された後の燃料および空気混合物の温度）に依存する。これら４つのパラメータのうち、後者の２つは、特に、触媒出口温度、および断熱燃焼温度は、例示の制御システムによってリアルタイムで調節され得、各燃焼室内の点火遅延を変更し、そしてシステムに亘る燃焼室毎の変動を補償する。

この点火遅延時間に影響するパラメータは、燃焼室空気流れ、触媒燃料流れ、プレバーナー燃料流れ、燃焼室入口温度、プレバーナー効率、および触媒活性のような分別のある変数に分解され得る。これらの変数のいくつかは、先に論議された例示のプレバーナー制御戦略によって制御または影響され得る。例えば、プレバーナー出口温度の閉鎖ループ温度制御に基づき、プレバーナーへの燃料流れを制御することを用い、この点火遅延時間を制御し得る。これら変数に影響するさらなるプレバーナー制御戦略、ならびに触媒燃料流れおよび燃焼室空気流れを制御するための例示の方法が以下に論議される。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、以下のような、３つの異なる位置における均一燃焼プロセス波４−３０を示す。１つの例示の方法によれば、ガスタービン触媒燃焼室システム内の状態は、均一燃焼プロセス波４−３０（図３の３−３０に類似）の位置が触媒後反応ゾーン内の所望の位置に維持され得るように制御される。図４Ａは、触媒４−１０の下流の所望の位置に配置された均一燃焼波４−３０を示し、均一燃焼波４−３０の実際の位置は、点火遅延時間ｔ_{ｉｎｇｉｔｉｏｎ}の大きさによって制御される（図３を参照のこと）。この点火遅延時間ｔ_{ｉｎｇｉｔｉｏｎ}がより長くされると、均一燃焼波４−３０は、図４Ｂに示されるようにタービン４−４に向かって下流に移動する。均一燃焼波４−３０がタービン４−４に近すぎるように移動すると、そのときは、残存燃料および一酸化炭素は完全に燃焼せず、そして放出は高い。従って、図４Ｂは、均一燃焼波４−３０の所望されない位置を示す。逆に、点火遅延時間ｔ_{ｉｎｇｉｔｉｏｎ}が減少すると、均一燃焼波４−３０は、触媒４−１０に向かって移動し、そして燃料の非燃焼部分は、燃焼するために十分を有し、それによって、図４Ａに示されるように、炭化水素および一酸化炭素の低放出を生じる。しかし、点火遅延時間ｔ_{ｉｎｇｉｔｉｏｎ}は、好ましくは、均一燃焼波４−３０が図４Ｃに示されるように触媒４−１０に近すぎるように移動する程度までは減少されない。なぜなら、これは、触媒４−１０を有効触媒操作には高すぎる温度に曝し得、そして触媒耐久性を減少し得るからである。従って、図４Ｃは、触媒４−１０の操作を損傷または減少し得る燃焼波４−３０の位置を示す。

１つの例によれば、複数燃焼室触媒システムは、燃焼室毎に均一燃焼波４−３０の均一な位置を達成するように制御され得る。この位置は、所定のスケジュールに基づきこのシステムを操作することにより所望の範囲内に維持され得、ここで、所定の、または算出されたスケジュールは、少なくとも部分的には、触媒燃焼室および／または触媒性能の操作状態を基にする。スケジュールは、理論的に基礎にしたモデル、またはサブスケールまたはフルスケールの試験システムにおける燃焼室の実際の試験から生成された操作範囲に基づき得る。例えば、所定の操作スケジュールは、先に参照した米国特許第１０／０７１，７４９号に記載されている。当業者によって、所望の操作範囲およびスケジュールを決定するための種々のその他の方法が可能であることが認識される。

いくつかの例示の方法では、均一燃焼波４−３０の位置の制御は、プレバーナー（例えば、図２の燃料ライン２−２４およびプレバーナー２−２０）および触媒燃料注入および混合システム（例えば、図２の燃料ラインおよび燃料注入システム２−８）に送られる燃料の％（および、必要に応じて総量）を制御することにより達成される。例えば、燃料を２−２４に点火することは、プレバーナー２−２０中でより多くの燃料を燃やし、そして位置２−９、触媒入口でガス混合物の温度を増加する。これは、触媒出口で温度を上昇し、均一燃焼波４−３０を上流に移動する。２−８で燃料を添加することは、２−９における燃料／空気比を変更し、そしてまた均一燃焼波４−３０を上流にシフトする。さらに、均一燃焼波４−２０の位置の制御は、バイパスシステムまたはブリードバルブを備えた燃焼室の空気流れを制御することにより達成され得る。以下は、燃焼終了ゾーン中のより一様な燃焼室毎の均一燃焼を制御かつ確実にするいくつかの例示の方法である。

（ＩＩＩ．各燃焼室への触媒燃料流れの制御）
１つの例示の制御方法では、各燃焼室は、各燃焼室の触媒への燃料流れを制御するために操作され得、そしてそれによって均一燃焼波の位置を制御または影響を与える触媒燃料バルブを含む。点火遅延算出に基づく閉鎖ループフィードバック制御は、燃料バルブおよび各燃焼室の触媒への燃料供給を制御するために用いられ得る。この点火遅延算出は、少なくとも部分的には、触媒入口ガス温度、触媒出口ガス温度、触媒燃料流れ、または燃焼室空気流れなどの測定に基づき得る。

図６は、制御可能な燃料バルブ６−６０を含む燃焼室６−２６の例示の直線状の概略表示を示す。このシステムは、燃料バルブ６−６０を経由して各燃焼室６−２６への触媒燃料流れを制御かつ改変し得、それによって、燃焼終了ゾーン６−１１における均一燃焼波６−３０の位置を制御する。特に、燃料バルブ６−６０を通る触媒６−１０への燃料流れは、例えば、触媒入口または触媒出口温度のフィードバック測定により制御され得、それによって、均一燃焼波６−３０を制御する。

１つの例示の方法では、触媒燃料流れは、触媒出口ガス温度測定に基づく閉鎖ループフィードバック制御によって決定される。例えば、熱電対のような温度プローブ６−６６が、触媒６−１０の下流に位置決めされ得、そして触媒出口ガス温度を測定する。この触媒への燃料は、温度プローブ６−６６からのフィードバックに基づき制御可能に変動され得る。１つの例では、空気流れなどのような点火遅延時間に影響し得るその他の変数は、異なる燃焼室に亘って実質的に一定である。

さらに、触媒燃料流れ制御方法は、触媒燃料流れにおける小増分増加が各燃焼室６−２６で確立されるまでなされる、燃料トリム調節特徴を含み得る。１つの例では、均一燃焼は、ＵＶセンサーフィードバックに基づき各燃焼室６−２６で確認され得る。例えば、図６に示されるように、燃焼室６−２６は、均一燃焼、および均一燃焼波６−３０の位置（図９Ａ〜９Ｄを参照のこと）が確立されたか否かを決定するために用いられ得る。熱電対または排気一様性測定のような、種々のその他の手段およびデバイスを用いて各燃焼室６−２６で均一燃焼を確立し得ることが認識される。

別の例示の方法では、排気ガス温度およびパターン因子、すなわち、排気ガス温度の相対的一様性が、各燃焼室６−２６の触媒燃料流れを制御するためのフィードバックとして用いられ得る。熱電対６−６８は、タービン軸の周りおよびタービンセクションの下流の周縁に配置され得、排気ガス温度パターンを測定する。代表的な複数燃焼室適用では、適正に機器を備えた排気の上記パターン因子または排気ガス温度熱電対６−６８の相対的一様性は、各燃焼室の相対的出口温度を決定するために用いられ得る。排気ガス温度熱電対の周縁位置から燃焼室の周縁位置までの特異的相関は、エンジン設計に依存する。所定の温度未満出口温度をもつ燃焼室は、「火がついている」ではなく、すなわち、均一な燃焼を有さず、その一方、所定の温度を超える出口温度は、「火がついている」。触媒燃焼を用いる場合、相対的により低い出口温度での燃焼は、均一燃焼を有さない可能性が高く、そしてより高い出口温度での燃焼は、確立された均一な燃焼を有する可能性が高い。従って、フィードバック方法は、パターン因子が均一燃焼を示すより均一になるまで、低排気ガス温度に対応する特定の燃焼室に触媒燃料流れを調整し得る。この方法は、均一燃焼が確立されるまで、すべての触媒燃料流れ、または触媒燃料流れに対するマイナーな調節を可能にするに過ぎない燃料トリム特徴として用いられ得る。

ＵＶセンサー、排気ガス温度測定などに基づく閉鎖ループフィードバック制御と組み合わせて用いられ得るさらなる方法は、さらに、複数燃焼室６−２６における均一燃焼を確立または消すための一時的開放ループ制御でシステムを制御することを含む。例えば、１つの燃焼室６−２６で均一燃焼が確立される（または消される）とき、触媒燃料バルブ６−６０は、一時的に開放ループ制御で作動し得、均一燃焼遷移を通る固定された起動速度様式で燃料を起動する（または止める）。一旦、ＵＶセンサーによって示されるようにすべての燃焼室において均一燃焼が確立されと（または消されると）、排気ガス温度など、触媒燃料バルブ６−６０流れを制御するための任意の閉鎖ループ方法は、記載のように再開され得る。

（ＩＶ．各燃焼室への空気流れの制御）
本発明の別の局面では、各プレバーナーおよび／または燃焼室を通る空気流れは、各燃焼室の点火遅延時間および均一燃焼波の位置を変動するために制御され得る。例えば、プレバーナー、燃焼室などの特徴の閉鎖ループフィードバック制御に基づき空気流れを変動することが、空気流れを調節するため、および複数燃焼室を制御するために用いられ得る。

１つの例示の方法では、各燃焼室を通る空気流れは、バイパスバルブまたはブリードバルブを経由して制御され得、各燃焼室内の点火遅延時間および均一燃焼波の位置を変動する。バイパスまたはブリードバルブは、点火遅延、ＵＶセンサー、触媒出口ガス温度、排気ガス温度のパターン因子などの測定を含む、種々の触媒燃料流れ制御方法およびシステムについて記載されたフィードバック戦略に基づく閉鎖ループフィードバック制御を実施し得る。このバイパスまたはブリードバルブは、さらに、触媒燃料制御方法について記載されたように、一時的開放ループ制御方法を採用し得る。

プレバーナーおよび燃焼室を通る空気流れを管理および変動するためのその他の方法が可能であり、そして本発明のこの局面は、本明細書に記載の任意の特定のデバイスまたは方法に限定されるべきではない。例えば、入口ガイドバルブなどを変動することは、燃焼室を通る空気流れを改変するために有利に用いられ得る。

例示のバイパスシステムは図７に示される。このバイパスシステム７−３９は、プレバーナー７−２０入口の近くの領域７−２１から空気を抽出し、そしてこの空気を触媒後反応ゾーン７−１１の下流であるが、パワータービン入口７−１５の上流の領域７−１３中に空気を注入する。バイパス空気はまた、コンプレッサーの出口で、コンプレッサー出口とプレバーナー７−２１との間、またはプレバーナー７−２０の下流の任意の位置で抽出され得る。流れメーター７−４１は、バイパス空気流れを測定し得、そしてバルブ７−４０は、バイパス空気流れを制御し得る。領域７−２１から領域７−１３へのバイパス流れは、領域７−２１より低い圧力にある領域７−１３での圧力差異によって駆動される。この圧力差異は、プレバーナー７−２０、触媒燃料注入器７−８、および触媒７−１０を含む燃焼室を通って生じる圧力低下に起因する。このバイパスシステム７−３９は、燃焼室空気流れを制御することにより触媒を出るガスの点火遅延の制御を可能にする。このバイパスシステム７−３９は、それによって、各燃焼室７−２６の燃焼終了ゾーン７−１１における均一燃焼を制御し得る。

バイパス空気の量は、システムによって生産される放出の量に影響し得る。例えば、所定のエンジン負荷状態で、ゼロバイパス空気流れＣＯ高放出は、長い点火遅延から、または低い最終燃焼温度からのいずれかから生じ得る。同じ負荷条件であるが、バイパス空気流れでは、燃焼室内のより高い空気に対する燃料比は、点火遅延時間を減少し、そして最終の燃焼温度を上昇する。より高い燃焼温度はまた、ＣＯをより迅速に酸化するように作用し得る。このプロセスは、システムの放出を低下し得る。エンジンによるパワー出力およびエンジン効率は変化せずに維持される。なぜなら、バイパス空気が７−１３で再注入され、これは、駆動タービンを通る総質量流れを維持し、そしてまた燃焼室出口温度を、ゼロバイパス空気流れの場合で達成される同じ燃焼室出口温度まで低下するからである。

図７はまた、燃焼室７−２６のための例示のブリードシステムを示す。このブリードシステムはコンプレーサー排出７−１４の近くの領域から空気を抽出し、そしてそれを大気に排気する。フローメーター７−４３は、ブリード空気の流れを測定し得、そしてバルブ７−４２は、ブリード空気の流れを制御し得る。７−１４から大気へのブリード流れは、大気圧より高い圧力である７−１４での圧力差異によって駆動される。

ブリード空気流れの量はまた、放出を減少するために制御され得る。例えば、ブリード空気流れがゼロでない状態下では、最終燃焼出口温度は、ブリード空気流れがゼロである場合より高い。最終の燃焼室出口温度はより高く、これは、燃料がより少ない空気中で燃焼されるからであり、そしてより多くの燃料が、パワータービンを通る減少した質量流れとともにタービンパワー出力を維持するために添加されなければならないからである。このより高い燃焼温度は、ブリード空気流れから生じるパワー損失を補償し、その結果、システムによる正味のパワー出力は、実質的に変化しないで維持される。放出に対するブリード空気の結果は、放出に対するバイパス空気の結果と同じである。

複数燃焼室をもつガスタービンはまた、入口ガイドベインを含み得（示されず）、エンジンおよび燃焼室を通る空気流れの量を変動する。入口ガイドベインは、一般に、コンプレーサー中への空気流れを、そしてそれ故、システムを通る総空気流れを減少するために回転され得る、コンプレーサーの入口に配置される１セットのベインを含む。この入口ガイドベインは、所望の操作範囲内に留まるために、空気流れを減少するため、および燃焼室内の空気に対する燃料の比を増加するために用いられ得る。

バイパスバルブシステムおよび／またはブリードバルブシステムを含む例示の制御方法は、図８中に示される。複数燃焼室プロセス８−２のバイパスおよび／またはブリードバルブは、温度測定、燃料流れおよび／または空気流れ算出などのような種々の入力からの入力に基づくバイパスバルブスイッチロジックブロック８−４からのバイパスバルブ要求スケジュールを受ける。ブロック８−４は、バイパスおよび／またはブリードバルブのためのスイッチとして作用し、そしてこのプロセスがブロック８−６中で決定される定常状態で作動しているか否かの決定に基づき、バイパスおよび／またはブリードバルブ要求を決定する。このプロセスが、定常状態で作動している場合、このバイパスおよび／またはブリードバルブ要求スケジュールがフィードバックブロック８−８によって決定される。フィードバックブロック８−８は、触媒出口温度Ｔ３７に対して閉鎖ループ制御を実施し、そしてこの要求スケジュールに基づき、ブロック８−４にバイパスおよび／またはブリードバルブ要求を出力する。このフィードバック制御は、燃焼室を通る空気流れ、触媒入口温度などのようなその他の因子に基づき得ることが認識されるべきである。

このプロセスが、ブロック８−６によって定常状態で作動していないと決定されるとき、このバイパスおよび／またはブリードバルブ要求は、ブロック８−１０によって決定される。ブロック８−１０は、バイパスバルブベース値およびバイパスバルブオフセットに基づいてバイパスおよび／またはブリードバルブ要求を決定する。ブロック８−１０で用いられるバイパスおよび／またはブリードバルブオフセットは、ブロック８−１４で、現在のバイパスおよび／またはブリードバルブ要求と、バイパスバルブベースからのベースエンジン負荷制御ロジック出力からのバイパスおよび／またはブリードバルブ要求との間の差異によって決定される。次いで、このオフセットは、例えば、不揮発性メモリなどのブロック８−１６中のメモリ中に記憶され、その結果、それは、コントローラーがリセットされるとき呼び出しされ得る。

閉鎖ループ制御が、触媒入口温度の測定およびシステムのその他の測定とともに同様に用いられ得る（図８には示されていない）。例えば、さらなる例示の方法では、図９Ａ〜９Ｄに示されるような二重のＵＶセンサーフィードバック制御システムを用いて、バイパスバルブ、ブリードバルブ、燃料バルブ、または均一燃焼波の位置を決定するその他のバルブを制御し得る。この特定の例では、２つの軸方向に位置決めされたＵＶセンサー（ＵＶ_１およびＵＶ_２）が触媒９−１０の下流に、均一燃焼波９−３０のための理想的位置がＵＶ_１とＵＶ_２との間であるように配置される。均一燃焼波９−３０のための理想的位置は、所望の放出レベル、触媒耐久性などに基づき得る。ＵＶ_１およびＵＶ_２の両方が、第１の閾値未満の信号を測定する場合、均一燃焼波９−３０がいずれかのＵＶセンサーの視野内にないことを示し、そのときは、バイパスおよび／またはブリードバルブは開放され、触媒９−１０を出る温度を増加し、そして均一燃焼波９−３０を触媒９−１０により近くにもたらす（図９Ａを参照のこと）。例えば、この閾値は４ｍＡであり得、そこでは、これらセンサーは、均一燃焼波９−３０が視野中にある場合、約６ｍＡの信号を測定する。ＵＶ_２は高い信号を測定するが、ＵＶ_１が低い信号を測定し続ける場合、そのときは、バイパスおよび／またはブリードバルブは開放し続け得、そして均一燃焼波９−３０をさらに触媒９−１０に向かって上流にもたらす（図９Ｂを参照のこと）。ＵＶ_１およびＵＶ_２の両方が高い信号を測定するとき、均一燃焼波９−３０は、各センサーの間の理想位置にあるはずである（図９Ｃを参照のこと）。ＵＶ_２が低い信号を測定するが、ＵＶ_１が高い信号を測定する場合、そのときは均一燃焼波９−３０は、触媒９−１０に近すぎ、そしてバイパスおよび／またはブリードバルブは所定量閉鎖され得、波９−３０を下流に移動する（図９Ｄを参照のこと）。このフィードバック制御システムはまた、本明細書に記載の種々の燃料流れおよびプレバーナー方法とともに用いられ得、燃焼室またはプレバーナーを通る燃料および空気流れを変動する。

この戦略を適用するサンプル方法を、図１０により詳細に示す。図１０は、プロセスが定常状態にあるとき（ブロック８−６を参照のこと）、バイパスバルブスイッチ１０−２６に基づき、バイパスバルブ要求が決定されることを除き、図８と同様である。バイパスバルブ要求１０−２６は、実質的に上記に記載のように、第１および第２のＵＶセンサーＵＶ_１およびＵＶ_２からの読み取り値に基づく。

ブロック１０−２０は、ＵＶ_１からの出力が所定の閾値より小さい、例えば、４ｍＡより小さい場合、ロジックＴＲＵＥを出力する。同様に、ブロック１０−２３は、ＵＶ_２からの出力が所定の閾値より小さい場合ロジックＴＲＵＥを出力する。ロジックＯＲおよびＡＮＤブロック１０−２１および１０−２４は、ブロック１０−２０および１０−２３の両方からの出力を受け、そして閉鎖ループ制御ブロック１０−２２および１０−２５に出力する。ブロック１０−２２は、ＵＶ_１センサー出力に対して閉鎖ループ制御を実施する。ＵＶ_１センサーに対する閉鎖ループ制御は、ブロック１０−２２がブロック１０−２１からの出力に基づいて活性であるときのみ活性である。ブロック１０−２２の出力は、バイパスバルブ要求である。ブロック１０−２５は、ブロック１０−２２と類似の様式で作動し、使用可能であるとき、ＵＶ_２出力に基づくバイパスバルブ要求を出力する。

別の例示の方法によれば、変動可能な幾何学の制御された希釈ホールが各燃焼室上に含められ得、そしてフィードバック方法によって制御され、各燃焼室を通る燃焼室空気流れを変動する。この方法は、可変の幾何学システムが希釈ホールの有効面積を変動し得、空気流れを改変することを除いて、上記のバイパスおよびブリードバルブシステムおよび方法と類似の様式で作動され得る。希釈ホールを変動することにより達成される空気流れ速度変化の得られる範囲は、しかし、一般に、バイパスまたはブリードバルブ方法によって達成可能なそれより少ない。可変幾何学方法は、単独または任意のその他の制御方法と組み合わせて採用され得る。

なお別の例示の方法によれば、各燃焼室への空気流れは、各燃焼室を通る空気流れが実質的に等しいように一致され得る。各燃焼室は、上記に記載のプレバーナーの燃料多岐管オリフィスの調整と同様の様式で、燃焼室のサイズに関係して「調整される」か、またはサイズである希釈ホールを含み得る。さらに、この燃焼室システムの設計は、空気流れを変動するために「調整可能」または可変の希釈ホールを含み得る。１つの例では、この希釈ホールは、これらホールを開放および／または閉鎖するとき、燃焼室の空気動力学および構造的性能を損なわない。

各燃焼室への空気流れを一致することを含む方法では、任意の１つの燃焼室について先に論議された任意のフィードバック戦略に基づく燃料の閉鎖ループ制御は、すべての燃焼室について同じか、または類似であるべきである。例えば、任意の１つの燃焼室に対する、点火遅延、ＵＶセンサー、触媒出口ガス温度、排気ガス温度のパターン因子などの測定は、システム中のすべての燃焼室に亘り同じか、または類似であるべきである。従って、各燃焼室への空気流れおよび燃料流れを一致することで、燃焼室毎の変動を有意に減少し得る。結果として、任意の１つの燃焼室の制御アプローチは、すべての燃焼室について同一ではないにしても、類似であるべきである。先に述べたフィードバックセンサーは、１つの燃焼室に、または各燃焼室の性能を１つのバルク測定にまとめることにより、そして複数燃焼室システムを制御するために用いられる全体センサーとして採用され得る。例えば、全体センサーフィードバックは、ＣＯの排気ガス放出のバルク平均を含み得、そしてすべての燃焼室の空気流れ、燃料流れなどを制御するために用いられる。

その他の例示の方法では、プレバーナーが、触媒入口ガス温度、触媒出口ガス温度、触媒燃料流れ、触媒燃料流れ、または燃焼室空気流れのような点火遅延算出に基づく閉鎖ループフィードバックを実施するために制御され得る。さらに、プレバーナー出力制御戦略は、均一燃焼がＵＶセンサーフィードバックに基づいて各燃焼室で確立されるまで、トリム特徴（小さな増分が、プレバーナー出力中で増加する）を有し得る。

さらに、上記に記載のプレバーナー制御方法は、図９Ａ〜９Ｄの二重ＵＶセンサーフィードバック制御方法およびシステムを利用し得る。この例では、均一燃焼波９−３０の位置は、望ましくは、２つの軸方向に位置するＵＶセンサー（ＵＶ_１およびＵＶ_２）間にある。ＵＶ_１およびＵＶ_２の両方が低い信号（すなわち、閾値未満の値）を測定するとき、プレバーナー出力は、増加され、均一燃焼波９−３０を視界にもたらすように増加され得る。ＵＶ_２が高い信号（すなわち、閾値を超える値）を測定するが、ＵＶ_１が低い信号を測定し続ける場合、そのときは、このプレバーナー出力は、さらに増加され得、均一燃焼波９−３０を、ＵＶ_１とＵＶ_２との間の所望の位置にさらに上流にもたらす。ＵＶ_１およびＵＶ_２両方が閾値の値を超える信号を測定する場合、燃焼波９−３０は、理想的位置に位置決めされているはずである。ＵＶ_２が低い信号を測定するが、ＵＶ_１が高い信号を示す場合、そのときは、燃焼波は、触媒９−１０に近過ぎ、そしてプレバーナー出力は、この波を下流に移動するように低減され得る。この戦略を適用するサンプル方法は、図１１に示される。この方法は、図１０のそれと類似であり、図５のプレバーナー燃料流れのフィードバック制御のための機能をさらに含む。特に、このフィードバック制御ロジックは、第２のプレバーナー燃料要求を決定する第２の燃料流れブロック１１−２６と同様である（ブロック１０−２０〜１０−２５）。

燃焼終了ゾーンが炎ホルダーと適合され、燃焼室サイズを減少する例では、点火遅延算出は、先の例よりは有効でないことが証明され得るが、なお有用である。この炎ホルダー温度は、熱電対によりモニターされ得、そしてこの炎ホルダーと触媒出口温度と間の温度上昇は、均一燃焼が確立されたことを示唆し得る。このフィードバックアプローチは、触媒燃料流れまたはバイパス空気流れ制御方法にいずれかに適用され得る。

図１２および１３は、フィードバック制御が、２つ以上のセンサーデバイスの組み合わされた出力に基づき得る複数燃焼室システムを制御するさらなる方法を示す。例えば、１つの制御方法は、触媒出口温度Ｔ３７の組み合わせ出力（すなわち、個々の燃焼室の特徴）、およびＣＯ放出の測定（すなわち、このシステムの特徴）に基づく。このプレバーナーおよびバイパス方法は、複数燃焼室システムの燃焼波位置を最適化し、そしてＣＯ放出を最小にするために制御され得る。組み合わせセンサーアプローチは、システム中のすべての燃焼室の組み合わせＣＯ放出を測定することにより、全体センサーフィードバックを提供する。さらに、この方法は、個々の燃焼室センサーフィードバック、例えば、各燃焼室の触媒出口温度Ｔ３７を提供する。

図１２は、第２のプレバーナー燃料要求が、このシステムが定常状態で作動し、かつバイパスバルブが最大であるとき、プレバーナー出口温度およびＣＯ放出の閉鎖ループ制御に基づき制御されることを除いて図５に類似の様式で作動する。特に、ブロック１２−１８は、図５に関して記載されたように、触媒出口ガス温度Ｔ３７に対する閉鎖ループ制御からの入力、およびブロック５−１６および５−１８におけるプレバーナー出口温度要求Ｔ３４に基づき、第２のプレバーナー燃料要求を出力する。ブロック１２−１８はまた、ＣＯ放出に対する閉鎖ループ制御からの入力、およびブロック１２−１５および１２−１６におけるプレバーナー出口温度要求Ｔ３４をそれぞれ受容する。スイッチ１２−１８は、ブロック１２−１７で測定されたＣＯ放出に基づいてスイッチ５−１４にどの入力を出力すべきかを決定する。これら放出が、限界または閾値、例えば５ｐｐｍを超える場合、スイッチ１２−１８は、ブロック１２−１５および１２−１６でＣＯ放出フィードバック制御により特定される第２のプレバーナー燃料要求を用いる。

１つの例では、この方法は、ブロック１２−１９でサンプル保持プロセスをさらに含み得る。ＣＯ出力がＣＯ放出フィードバック制御により満足されたＣＯ制限を有するとき、触媒出口ガス温度Ｔ３７の以前のスナップショットまたは測定が出力され得る。Ｔ３７の出力は、低ＣＯ放出性能を達成するための所望の温度を表す。予備決定されたバイアスがブロック１２−２０中でバッファーとして所望のＴ３７に添加され得、そして触媒出口ガス温度Ｔ３７要求がブロック１２−２１に出力され、そしてブロック５−１６へのアップデートされたＴ３７要求として用いられ得る。このＴ３７要求出力は、ブロック１２−２１で、不揮発性記憶装置などの中に記憶され得る。

図１３は、バイパスバルブ要求が、システムが定常状態で稼動するとき、触媒出口温度Ｔ３７およびＣＯ放出（ブロック８−６）の閉鎖ループ制御に基づいて制御されることを除いて図８と類似の様式で作動する。ブロック１３−２２は、触媒出口ガス温度Ｔ３７に対する閉鎖ループ制御に基づきバイパスバルブ要求を出力する。ブロック１３−２２は、ＣＯ放出に対する閉鎖ループ制御に基づき、バイパスバルブ要求を出力する。ブロック１２−１７は、上記で論議したようにＣＯ放出が所定の限度を超えたとき、決定に基づいてスイッチ１３−２５をスイッチすることにより作動する。さらに、この方法は、ブロック１２−２６、１２−２７に触媒出口ガス温度Ｔ３７のサンプルホールドを含み得、そしてブロック１２−２８に出力を記憶する。

上記に詳述した説明は、種々の例を示すために提供されるが、制限することは意図されない。当業者に、本発明の範囲内で多くの改変および変更が可能であることは明らかである。本明細書に記載の種々の制御方法およびシステムは、単独または組み合わせて用いられ得る。例えば、プレバーナーの作動を制御するための例示の方法は、燃焼室を通る触媒燃料流れまたは空気流れを制御する方法と組み合わせて用いられ得、そのまた逆も真である。当業者に明らかなようなその他の改変例および組み合わせが可能であり、そして本発明の範囲内にある。さに、この明細書の全体で、特定の例を、そしてこれらの例がどのように関連する技術で特定の欠点を取り扱うと考えられるかを論議した。この論議は、しかし、この欠点を実際に取り扱う、または解決する方法および／またはシステムへの種々の例を制限することは意味されない。

図１は、例示のガスタービンシステムを示す。 図２は、例示の触媒燃焼システムを示す。 図３は、関連する温度および燃料濃度プロフィールをもつ例示の触媒燃焼システムを示す。 図４は、触媒後均一波の変動する位置をもつ例示の触媒燃焼室を示す。 図５は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。 図６は、ＵＶセンサーおよび熱電対センサーをもつ例示の触媒燃焼室システムを示す。 図７は、バイパスバルブおよびブリードバルブをもつ例示の触媒燃焼室システムを示す。 図８は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。 図９Ａ〜９Ｄは、ＵＶセンサーをもつ燃焼室システムの例示の操作を示す。 図１０は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。 図１１は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。 図１２は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。 図１３は、複数燃焼室システムのための例示の制御方法を示す。

Claims (43)

1. 複数燃焼室触媒燃焼システムを制御する方法であって：
   複数燃焼室システム中の触媒燃焼室に対応するプレバーナーの下流の温度を決定する工程；および
   該温度に基づき該プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為を包含する、方法。
2. 前記プレバーナーがフレームバーナーを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記プレバーナーが２つ以上の燃料ステージを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記２つ以上の燃料ステージへの燃料流れが、点火シークエンスの間の固定された燃料分割スケジュールに基づいて決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記プレバーナーが、前記燃焼室の空気流れに比例するサイズである１つ以上の燃料オリフィスを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記触媒燃焼室の触媒に燃料を供給する１つ以上の燃料オリフィスが、該燃焼室の空気流れに比例するサイズである、請求項１に記載の方法。
7. 前記システムが、少なくとも第２の触媒燃焼室に対応する少なくとも第２のプレバーナーを含み、そして各プレバーナーへの燃料流れが、各燃焼室を通る空気流れに比例する、請求項１に記載の方法。
8. 単一のプレバーナーに対する閉鎖ループ制御を用いて、前記複数燃焼室システム中のすべてのプレバーナーへの燃料流れを決定する、請求項７に記載の方法。
9. 前記プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為が、前記プレバーナー出口温度に対する閉鎖ループ制御を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為が、触媒入口温度に対する閉鎖ループ制御を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為が、触媒出口温度に対する閉鎖ループ制御を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記システムが、少なくとも第２の燃焼室に対応する少なくとも第２のプレバーナーを含み、そして前記プレバーナーへの燃料流れを調整する工程の行為が、燃焼室毎の変動を補償する、請求項１に記載の方法。
13. 燃焼室毎の変動が、プレバーナー点火遅れ、触媒着火温度、および燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼の位置の少なくとも１つにおける変動を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記燃料流れが、前記燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼波の位置を変動するよう調整される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記燃焼終了ゾーンにおける均一燃焼波の位置が、該燃焼終了ゾーンに配置された二重のＵＶセンサーによって決定される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記プレバーナーおよび前記燃焼室の少なくとも１つを通る空気流れを調整する工程の行為をさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記プレバーナーおよび前記燃焼室の少なくとも１つを通る空気流れを調整する工程の行為が、該プレバーナーにおける希釈ホールを調整することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記プレバーナーおよび前記燃焼室の少なくとも１つを通る空気流れを調整する工程の行為が、該燃焼室に対応するバイパスバルブおよびブリードバルブの少なくとも１つを変動することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 閉鎖ループ燃料制御プレバーナーを用いて、少なくとも第２の燃焼室に対応する少なくとも第２のプレバーナーへの燃料流れを決定する、請求項１６に記載の方法。
20. 複数燃焼室触媒燃焼システムであって：
    複数のプレバーナーを含み、ここで、該複数のプレバーナーの各々が燃焼室と対応し、かつ：
    少なくとも２つの燃料ステージ；および
    該少なくとも２つの燃料ステージの各々にカップルした少なくとも１つの燃料多岐管を含み、
    ここで、該少なくとも１つの燃料多岐管のオリフィスが該燃焼室を通る空気流れに比例するサイズである、システム。
21. 各プレバーナーが、各燃料ステージについて、唯一の燃料バルブを含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記少なくとも２つの燃料ステージへの燃料流れが、プレバーナー出口下流の温度の測定に基づくフィードバックによって制御される、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記複数の燃焼室に対する前記少なくとも２つの燃料ステージへの燃料流れが、前記１つのプレバーナー出口の下流の温度の測定に基づく１つのプレバーナーからのフィードバックによって制御される、請求項２０に記載のシステム。
24. 複数燃焼室触媒燃焼システムであって：
    複数のプレバーナーを含み、ここで、各プレバーナーが燃焼室と対応し、かつ：
    該燃焼室を通る空気流れを該燃焼室への燃料流れに一致させるために各プレバーナーに対して選択的に開放されている入口を含む、システム。
25. 前記空気入口が、複数の希釈ホール、狭窄され得るオリフィス、および空気流れを転換するベインの少なくとも１つを含む、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記プレバーナーが、１つのプレバーナー出口の下流の温度の測定に基づく１つのプレバーナーからのフィードバックによって制御される、請求項２４に記載のシステム。
27. 複数燃焼室触媒燃焼システムを制御する方法であって：
    複数の燃焼室への燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つを変動する工程；および
    該複数の触媒燃焼室の各々における均一燃焼波の位置を制御する工程の行為を包含する、方法。
28. 前記燃料流れまたは空気流れが、点火遅れ算出からのフィードバックに基づき変動される、請求項２７に記載の方法。
29. 前記燃料流れが、触媒入口ガス温度、触媒出口ガス温度、および燃焼室空気流れの少なくとも１つからのフィードバックに基づき変動される、請求項２７に記載の方法。
30. 前記空気流れが、触媒入口ガス温度、触媒出口ガス温度、および燃焼室燃料流れの少なくとも１つからのフィードバックに基づき変動される、請求項２７に記載の方法。
31. 各燃焼室への前記空気流れが、バイパスバルブによって変動される、請求項３０に記載の方法。
32. 各燃焼室への前記空気流れが、ブリードバルブによって変動される、請求項３０に記載の方法。
33. 前記燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つが、少なくとも１つの燃焼室の燃焼終了ゾーンに配置された２つのＵＶセンサーからのフィードバックに基づき変動される、請求項２７に記載の方法。
34. 前記燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つが、２つの燃焼室の燃焼終了ゾーンに配置された２つのＵＶセンサーの２つセットからのフィードバックに基づき変動される、請求項３３に記載の方法。
35. 前記２つの燃焼室が、前記複数の燃焼室の最小質量流れ燃焼室および最大質量流れ燃焼室を含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つが、排気ガス温度の相対的均一性の測定からのフィードバックに基づき変動される、請求項２７に記載の方法。
37. 前記プレバーナーへの前記燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つが変動される、請求項２７に記載の方法。
38. 前記触媒への燃料流れおよび空気流れの少なくとも１つが変動される、請求項２７に記載の方法。
39. 複数燃焼室触媒燃焼システムを制御する方法であって：
    複数燃焼室システム中の少なくとも１つの燃焼室のための操作の第１の特徴を決定する工程；
    該複数燃焼室システムのための操作の第２の特徴を決定する工程；および
    該第１の特徴および該第２の特徴からのフィードバックに基づき該システムを制御する工程の行為を包含する、方法。
40. 前記第１の特徴が、触媒出口温度の測定を含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記第１の特徴が、均一燃焼波の位置を含む、請求項３９に記載の方法。
42. 前記第２の特徴が、ＣＯ放出の測定を含む、請求項３９に記載の方法。
43. 前記第２の特徴が、前記複数燃焼室システムのすべての燃焼室からのＣＯ放出の測定を含む、請求項３９に記載の方法。

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