JP2025505114A - オキシ燃料タービンシステム及び酸化剤制御方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ガスタービンシステム（１）は、燃料及び酸化剤を燃焼させ、加圧高温燃焼ガスを生成するように適合された燃焼器（３）と、燃焼器（３）に流体連結され、燃焼器（３）からの加圧高温燃焼ガスの膨張によって回転されるタービン（５）と、を備える。熱交換器（２１）は、タービン（５）に流体連結され、タービン（５）から排出された膨張燃焼ガスを冷却するように適合される。主酸化剤供給ライン（１３）は、熱交換器（２１）を通って燃焼器（３）に酸化剤を供給するように適合される。熱交換器（２１）を通って流れる酸化剤は、タービン（５）から排出される燃焼ガスと熱交換関係にある。燃料供給ライン（３９）は、燃焼器（３）に燃料を供給する。二次酸化剤供給ライン（５３）は、燃料制御弁（４１）の上流の燃料供給ライン（３９）に酸化剤を供給するように適合される。また、このシステムを操作する方法も開示される。
【選択図】 図１

Description

本開示は、発電のためのガスタービンシステムに関する。本明細書に開示される実施形態は、具体的には、オキシ燃料タービンシステム、すなわちオキシ燃料エクスパンダシステム、及び関連する方法に関する。

化石燃料は、機械的動力の発生のために使用される化学エネルギーの主な供給源である。化石燃料は、空気と混合され、燃焼して高圧高温で燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスは、タービン内で膨張する。タービンは、燃焼ガスのエンタルピーをタービンの出力シャフト上で利用可能な機械的動力に変換し、圧縮機若しくは圧縮機トレインなどの負荷を駆動するために、又は発電機を回転させて機械的動力を電力に変換するために使用される。

化石燃料の燃焼に関する主要な懸念の１つは、地球温暖化及び気候変動の主な要因の１つと考えられている温室効果ガスである二酸化炭素の生成に関する。

化石燃料の燃焼による発電の環境への影響を低減する試みにおいて、二酸化炭素の燃焼後捕捉の選択肢が調査されてきた。二酸化炭素捕捉設備は、ガスタービンから排出された煙道ガスを処理し、煙道ガスを環境に排出する前に煙道ガスから二酸化炭素を除去するために開発されてきた。二酸化炭素捕捉設備のコストは、ＣＡＰＥＸに関しても、設備を稼働させるのに必要なエネルギーに関しても高く、システムの全体的な熱力学的効率を低下させる。煙道ガス中の二酸化炭素の割合は低い。これにより、大量の煙道ガスが二酸化炭素捕捉設備を通して処理されることを必要とし、捕捉プロセスを特に非効率的にする。

近年、オキシ燃料タービン又はオキシ燃料エクスパンダとしても知られるオキシ燃焼タービンが開発されており、これは、空気の代わりに、主に酸素（Ｏ_２）、又は酸素と二酸化炭素（ＣＯ_２）の混合物からなる酸化剤流を使用する。酸素は、周囲空気から分離することによって得られる。ガスタービンからの煙道ガスの一部は、燃焼器に供給される作動流体が主に酸素及び二酸化炭素からなり、窒素を含まないように、ガスタービン燃焼器内で再循環される。得られた煙道ガスは、主に水と二酸化炭素からなる。凝縮によって煙道ガスから水が除去され、燃焼器に再循環されない水を含まない煙道ガスの一部は、二酸化炭素捕捉ユニットにおいて効率的に処理することができる。

発電プラント又はシステムによって生成される電力の量は、タービンシャフトに加えられる機械的負荷の変動に追従するように細かく迅速に調整される必要がある場合がある。例えば、タービンが配電網に接続された発電機を駆動するとき、タービンに加えられる負荷は、配電網に接続され、それによって電力供給される電気負荷によって吸収される電力量に応じて変化し得る。タービン及び発電機の回転速度は、一定のままである。したがって、負荷の変動は、タービン燃焼器に供給される燃料を調整することによってバランスがとられる。同様の調整要件は、タービンが圧縮機トレイン又は任意の他の被駆動機械を駆動するときにも生じる可能性がある。燃料流量の変動は、酸化剤流量の調整によって補われなければならない。

オキシ燃料タービンは、化学量論比又はその付近で操作される。タービン操作の過渡時に負荷変動のバランスをとるために必要な流量変動は、火炎不安定性を引き起こす可能性がある。

負荷変動に対してより速く反応するオキシ燃料タービンを作製し、酸化剤及び燃料流量の変動から生じる燃焼の問題を防止する努力がなされてきた。この点に関して、オキシタービンを改善する必要性が依然として存在する。

現在の技術のガスタービンの欠点を軽減するために、燃料及び酸化剤を燃焼させ、加圧高温燃焼ガスを生成するように適合された燃焼器と、燃焼器に流体連結され、燃焼器からの加圧高温燃焼ガスの膨張によって回転されるタービンと、を備える、オキシ燃料ガスタービンシステムが本明細書に開示される。

システムは、タービンに流体連結され、タービンから排出された膨張燃焼ガスを冷却するように適合された熱交換器を更に備える。主酸化剤供給ラインは、熱交換器を通って燃焼器に主酸化剤流を供給するように適合される。使用時に、熱交換器を通って流れる主酸化剤流は、タービンから排出された燃焼ガスと熱交換し、その結果、熱が燃焼ガスから回収され、これを使用して、主酸化剤流を加熱し、燃焼ガスが冷却される。

再循環ラインは、第１の冷却された燃焼ガス流を熱交換器を通って燃焼器に作動流体として再循環させるように適合され、一方で、燃焼ガス除去ラインは、第２の冷却された燃焼ガス流を例えば二酸化炭素捕捉システムに向けて排出するように適合される。

燃料供給ラインは、燃焼器に燃料を供給するように配置され、二次酸化剤供給ラインは、燃料の流れの方向に対して、燃料供給ラインに沿って配置された燃料制御弁の上流で、燃料供給ライン内に二次酸化剤流を供給するように配置される。

したがって、システムの操作条件によって要求されるとき、追加量の酸化剤を燃料供給ラインを通って燃焼器に供給することができる。燃料制御弁の上流に配置された混合点に二次酸化剤流を供給することによって、酸化剤と燃料との改善された混合物が得られる。複数の燃料ノズルに供給される酸化剤－燃料ブレンドの均一な組成が確保され、燃焼器内の燃焼条件が改善される。

いくつかの実施形態では、二次酸化剤供給ラインは、熱交換器を迂回する、すなわち、熱交換器を通って延在しない。

負荷変動の場合、二次酸化剤流の流量は、それに応答して、かつ燃料流変動と組み合わせて迅速に調節することができる。例えば、タービンシャフトに加えられる負荷が増加すると、二次酸化剤流の燃料流量及び酸化剤流量が増加して、より多くの出力を生成し、タービンの必要な回転速度を維持する。

変化する酸化剤流量が、燃焼器に入る前に燃料と予め混合されるため、特に負荷変動の場合に、そのような過渡現象に対するタービンシステムの迅速な応答と組み合わせて、火炎安定性の増強が達成される。

本明細書に開示される実施形態では、二次酸化剤制御弁は、二次酸化剤供給ライン内に備えられ、タービンの過渡状態中に、すなわち、タービン負荷変動に応答して、二次酸化剤供給ラインを通る二次酸化剤流量を供給ラインを通る二次酸化剤流量を調節するように適合される。二次酸化剤供給ラインに沿って熱交換器が設けられていないため、二次酸化剤制御弁を燃料供給ラインの近くに配置して、例えば、二次酸化剤制御弁と燃焼器との間の酸化剤体積を最小限に抑えることができる。このことは、可変操作条件、すなわち負荷変動の場合に適応する際のシステムの即応性に関して有益である。

システムは、主酸化剤供給ライン内の主酸化剤制御弁と、制御ユニットと、を更に備えていてもよい。制御ユニットは、タービンの負荷変動に応答して、二次酸化剤制御弁及び主酸化剤制御弁を選択的に開閉するように適合されていてもよい。まず、二次酸化剤制御弁を作動させ、酸化剤流量調整シーケンスの第２のステップで二次酸化剤制御弁を作動させて、負荷変動に対する酸化剤流量のより迅速な適合を得ることができる。

更なる態様によれば、タービンシステムを操作する方法が本明細書に開示される。本方法は、以下のステップ、すなわち、
燃料供給ラインを通って燃焼器に燃料流を供給するステップと、
熱交換器を通って燃焼器に主酸化剤流を供給するステップと、
燃料供給ラインからの燃料及び酸化剤を燃焼器内で燃焼させ、高温加圧燃焼ガスの流れを生成するステップと、
燃焼ガスをタービン内で膨張させ、それによって機械的動力を発生させるステップと、
タービンから燃焼ガスを排出するステップと、
排出燃焼ガスを熱交換器に流して主酸化剤流と熱交換させることによって、排出燃焼ガスを冷却し、主酸化剤流を加熱するステップと、
第１の冷却された燃焼ガス流を熱交換器を通して燃焼器に作動流体として再循環させ、第２の冷却された燃焼ガス流を排出するステップと、
二次酸化剤流を燃料流に供給し、二次酸化剤流を燃料流にブレンドするステップと、
酸化剤と燃料とのブレンドを燃焼器に供給するステップと、を含む。

本明細書に開示される実施形態では、本方法は、タービンの負荷変動に応答して二次酸化剤流の流量を調節するステップを更に含む。

具体的には、いくつかの実施形態では、本方法は、以下のステップ、すなわち、
タービンの負荷の増加又は減少に応答して、二次酸化剤制御弁を通る二次酸化剤流量を増加又は減少させるステップと、
その後、二次酸化剤制御弁を通る二次酸化剤流量を減少又は増加させると同時に、主酸化剤制御弁を通る主酸化剤流量を増加又は減少させ、燃焼器への酸化剤流量をほぼ一定に維持するステップと、を含む。

本開示によるシステム及び方法の更なる特徴及び実施形態は、添付の図面を参照して以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。

ここで、添付図面を簡単に参照する。
図１は、本開示によるオキシ燃料タービンシステムの概略図である。 図２は、図１のシステムにおける負荷、燃料流量、主酸化剤流量及び二次酸化剤流量を経時的に示す図である。 図３は、図１のシステムにおける負荷、燃料流量、主酸化剤流量及び二次酸化剤流量を経時的に示す図である。 図４は、図１のシステムにおける負荷、燃料流量、主酸化剤流量及び二次酸化剤流量を経時的に示す図である。 図５は、本開示による方法のステップをまとめたフローチャートである。

オキシ燃料タービンシステム内のタービンの負荷変動に対するより迅速な応答と、オキシ燃料タービンの過渡時の改善された火炎安定性とを達成するために、追加又は二次酸化剤供給ラインが燃料供給ラインに直接流体連結される。燃焼条件を増強するために、燃料供給ラインに供給される二次酸化剤流量は、燃料制御弁の上流の燃料流に導入される。このことは、例えば、同じ燃料－酸化剤ブレンド組成物が燃焼器の全ての燃料ノズル及びバーナに供給されることを確実にする。

二次酸化剤供給ラインは、熱回収熱交換器を迂回するように配置することができる。

二次酸化剤供給ライン上の制御弁は、タービンシャフトに加えられる負荷の急速な変動にタービンシステムの操作を迅速に適合させるために、燃焼器内への燃料流に直接加えられる二次酸化剤流量の流量を調節するようにコントローラを介して操作される。

ここで図面を参照すると、図１は、実施形態によるオキシ燃料タービンシステム１の概略図を示す。タービンシステム１は、エクスパンダ又はタービン５に流体結合された燃焼器３を含む。回転ターボ機５は、本明細書では「タービン」と呼ばれる。

タービン５は、燃焼ガスの膨張により機械的動力を発生するものであり、シャフト７を介して負荷９に駆動連結されている。負荷９は、タービン５によって生成された機械的動力によって回転駆動される。図１の例示的な実施形態では、負荷９は、配電網１１に電気的に連結された発電機を含む。

主酸化剤流は、主酸化剤供給ライン１３を通して燃焼器３に供給される。主酸化剤流は、主に、酸素、又は酸素と二酸化炭素の混合物からなる。酸化剤は、任意の酸化剤源によって供給することができる。いくつかの実施形態では、二酸化炭素は、酸化剤供給ライン又は酸化剤源１５において酸素とブレンドすることができ、その結果、酸化剤流は、低減された量の酸素、例えば、約２０体積％の酸素を含有する。

図１では、酸化剤源は、空気分離ユニット１５を含み、空気分離ユニット１５は、酸素、又は酸素と二酸化炭素のブレンドを周囲空気から分離し、窒素、又は窒素と二酸化炭素を周囲空気から除去する。酸化剤源１５からの主酸化剤流は、第１の酸化剤圧縮機１７において、燃焼器３に酸化剤を供給するのに必要な圧力まで加圧することができる。第１の酸化剤圧縮機１７は、電気モータ１８などの駆動装置によって駆動することができる。電気モータ１８は、配電網１１からの電力によって電力供給され得る。図示しない他の実施形態では、第１の酸化剤圧縮機１７は、タービン５によって直接駆動することができる。このような場合、第１の酸化剤圧縮機１７は、タービンシャフト７に駆動連結された負荷の一部となり得る。

第１の酸化剤圧縮機１７と燃焼器３との間の主酸化剤供給ライン１３に沿って配置された主酸化剤制御弁１９は、燃焼器３に向かう主酸化剤供給ライン１３を通る第１の酸化剤流量を制御するように適合される。主酸化剤流量計２０は、主酸化剤供給ライン１３を通って燃焼器３に向かって流れる主酸化剤流量を検出するために、主酸化剤供給ライン１３に配置することができる。

主酸化剤供給ライン１３を通って供給される主酸化剤流は、タービン５から排出される燃焼ガス（煙道ガス）と熱交換関係にある熱交換器２１の低温側２１１を通って流れて、以下でより詳細に説明するように、そこから熱を回収する。タービン５から排出された燃焼ガスは、熱交換器２１の高温側２１２を通って流れる。

熱交換器２１の高温側２１２は、燃焼ガス排出ライン２３を介してタービン５の排出部に流体連結された入口を有する。タービン５から排出された膨張燃焼ガスは、主酸化剤供給ライン１３を通って流れる主酸化剤流と熱交換し、その結果、タービン５から排出された燃焼ガスに含まれる低温熱が少なくとも部分的に回収され、燃焼器３に入る前に主酸化剤流を予熱するために使用され、一方、燃焼ガスは冷却される。

熱交換器２１の高温側２１２の出口は、熱交換器２１の高温側２１２から排出された冷却された燃焼ガスから水を除去するように適合された水除去配置２５に流体連結されている。図１の概略図では、水除去配置２５は、凝縮器２５１及び水／ガス分離器２５２を備える。凝縮器２５１を通って流れる燃焼ガスは冷却され、その結果、燃焼ガスに含まれる蒸気が凝縮し、水／ガス分離器２５２でガスから分離され、水除去ライン２５３を通って除去される。

燃焼器に供給される酸化剤は、主に、酸素、又は酸素と二酸化炭素とのブレンドからなり、酸化剤流量及び燃料流量は、燃焼器３内で化学量論的燃焼条件を有するように制御されるので、タービン５から排出される生じた燃焼排ガスは、主に、二酸化炭素及び水からなる。後者は、水除去配置２５によって除去される。したがって、水／ガス分離器２５２から排出される冷却された燃焼ガスは、主に二酸化炭素からなる。

水／ガス分離器２５２からの冷却された燃焼ガスは、燃焼ガス圧縮機２７によって圧縮され、第１の冷却された燃焼ガス流と第２の冷却された燃焼ガス流とに分割される。燃焼ガス圧縮機２７は、タービン５によって、又は例えば配電網１１からの電力によって電力供給され得る電気モータなどの駆動装置２８によって駆動され得る。

ガス／水分離器によって供給される第１の冷却された燃焼ガス流は、再循環ライン２９を介して熱交換器２１及び燃焼器３に向けて再循環される。再循環ライン２９は、燃焼ガス除去ライン３１から分岐している。図１の実施形態では、燃焼ガス除去ライン３１は、二酸化炭素捕捉ユニット３３に流体連結され、二酸化炭素捕捉ユニット３３は、水／ガス分離器２５２から送られる第２の冷却された燃焼ガス流を処理して、例えば、二酸化炭素を適切に貯蔵し、環境へのその放出を防止する。

再循環ライン２９を通って再循環される第１の冷却された燃焼ガス流は、高温側２１２と熱交換関係にある熱交換器２１の第２の低温側２１３を通って流れ、タービン５から排出される高温燃焼ガスから熱を受け取る。

再循環ライン２９を通って再循環される燃焼ガスの流量は、再循環燃焼ガス制御弁３５によって調整することができる。再循環ライン２９に沿って再循環燃焼ガス流量計３７を設けて、燃焼器３に向けて再循環される燃焼ガスの流量を検出することができる。

二酸化炭素の側流は、再循環ライン２９から、又は圧縮機２７の上流の脱水二酸化炭素流から分岐させることができ、酸化剤源１５からの酸素流に加えることができる。上述したように、ライン１３及び／又はライン５３中の酸素の割合は、取り扱いを容易にするために約２０体積％まで減少させることができる。

燃焼器３において、主酸化剤供給ライン１３を通って供給される主酸化剤流及び再循環ライン２９を通って供給される再循環燃焼ガスは、燃料供給ライン３９を通って燃焼器３内の１つの燃料ノズル３８又は好ましくは複数の燃料ノズル３８に供給される燃料、例えばガス状燃料と混合される。燃料供給ライン３９に沿った燃料制御弁４１は、燃焼器３に送られる燃料の流量を調整するように適合される。燃焼器３に供給される燃料の流量を検出するために、燃料供給ライン３９に沿って燃料流量計４３を設けることができる。

発電機９を回転させるのに必要な機械的動力は、配電網１１に接続された電気負荷（図示せず）によって吸収される電力の変動の結果として、変動する可能性がある。タービン５及び発電機９の回転速度は一定のままであるので、負荷の変動は、タービン５及び発電機９の角加速又は角減速を防止するために、燃料流量をそれに応じて調整することによってバランスがとられなければならない。燃料流量は、制御ユニット５１の制御下で、燃料制御弁４１によって可能な限り迅速かつ微細に調整されなければならない。制御ユニット５１は、流量計２０、３７、４３及び制御弁１９、３５、４１に機能的に連結される。機能的連結は、丸で囲んだ文字（Ａ）～（Ｈ）によって図式的に表される。

上述したように、燃焼器３における酸化剤と燃料のモル比は、化学量論的燃焼条件を維持し、タービン５から排出される燃焼ガス中の残留燃料又は残留酸化剤を回避するように制御される。燃焼器３内の化学量論比を維持するために、燃料流量の変化は、迅速な酸化剤流量調整を伴うものとする。

主酸化剤制御弁１９と燃焼器３との間の容積は、熱交換器２１の低温側２１１を含み、したがって比較的大きい。主酸化剤制御弁１９による酸化剤流量調整は、タービン５に加えられる負荷の変動に追従して、燃料流量調整と比較して酸化剤流量の調整を遅らせることになる。したがって、出力率の変動は、燃焼器３が過剰な酸化剤又は過剰な燃料と共に操作される過渡状態を引き起こす。

これらの欠点を回避又は低減するために、オキシ燃料タービンシステム１は、二次の追加の酸化剤供給ライン５３を備えており、これには、両方とも制御ユニット５１に機能的に連結された二次酸化剤流量計５５及び二次酸化剤制御弁５７が設けられていてもよい。二次酸化剤供給ライン５３は、混合点５４において二次酸化剤制御弁５７を介して燃料供給ライン３９に流体連結され、燃料供給ライン３９を介して燃焼器３に二次酸化剤流を供給するように適合される。追加の酸化剤供給ライン５３は、熱交換器２１を迂回する。

図面では、混合点５４は、燃料流量計４３の下流に示されている。しかしながら、他の実施形態では、燃料流量計４３を混合点５４の下流に配置することができる。燃料流量計４３は、二次酸化剤制御弁５７が閉じられている場合には燃料の流量を検出し、燃料流量計４３が混合点５４の下流に配置されている場合には二次酸化剤と燃料との混合物の流量を検出する。

二次酸化剤供給ライン５３を通って流れる二次酸化剤流の流量は、主酸化剤供給ライン１３を通って流れる主酸化剤流の流量よりも実質的に小さくてもよい。十分な熱回収が熱交換器２１によって保証されるので、二次酸化剤流を加熱する必要はない。したがって、二次酸化剤制御弁５７と混合点５４との間に熱交換面を必要としない。換言すれば、二次酸化剤制御弁５７は、二次酸化剤制御弁５７と燃料供給ライン３９との間の容積が最小化されるように、燃料供給ライン３９の近くに配置することができる。二次酸化剤制御弁５７が作動すると、燃焼器３内の全酸化剤流量に関してシステムの速い反応をもたらす。

更に、本明細書に開示される実施形態によれば、二次酸化剤流は、燃焼器３の上流で燃料と予め混合される。これにより、特に負荷過渡時に火炎安定性が増強し、燃焼器３の領域におけるフレームアウトのリスクが回避又は低減される。

二次酸化剤供給ライン５３は、電気モータなどの駆動装置６１によって駆動することができる第２の酸化剤圧縮機５９を介して酸化剤源１５に流体連結することができる。他の実施形態では、図示されていないが、第２の酸化剤圧縮機５９は、タービン５によって駆動することができる。

他の実施形態では、点線で示すように、二次酸化剤供給ライン５３は、第１の酸化剤圧縮機１７の送出側の下流で主酸化剤供給ライン１３から分岐することができる。主酸化剤供給ライン１３よりも高い酸化剤圧力が二次酸化剤供給ライン５３において必要とされる場合には、第２の酸化剤圧縮機５９を省略することができ、又は第１の酸化剤圧縮機１７と直列に配置することができる。

図１では、二次酸化剤供給ライン５３が酸化剤源１５に流体連結されているが、他の実施形態では、図示されていないが、別個の酸化剤源を設けることができる。いくつかの実施形態では、純粋な酸素を、二次酸化剤供給ライン５３を通って供給することができる。他の実施形態では、二次酸化剤供給ライン５３を通って、酸素と二酸化炭素のブレンドを供給することができる。

タービンに対する負荷の変動によって引き起こされる過渡状態の間、総酸化剤流量は、燃焼器３内の燃料ノズル３８の上流の燃料流に直接加えられる酸化剤流量を急速に増加又は減少させるように二次酸化剤制御弁５７を開閉することによって調節することができる。二次酸化剤制御弁５７と燃料供給ライン３９との間の容積が小さいので、酸化剤流量の調整は、燃料流量の調整と同じくらい迅速に行うことができ、その結果、タービン５によって生成される電力の量をタービン負荷に適合させることができ、同時に燃焼器３内の化学量論比を維持することができる。

図２は、負荷過渡時における、主酸化剤供給ライン１３を通る主酸化剤流量（ＯＸ－主）と、二次酸化剤供給ライン５３を通る二次酸化剤流量（ＯＸ－二次）とを経時的に示す。タービンに加えられる負荷は、曲線Ｌによって図式的に表され、曲線Ｌは、燃料流量Ｆにも対応する。時間ｔは、水平軸上にプロットされている。時間ｔ１において、タービンシャフト７に加えられる負荷が増加し、例えば、追加の電気負荷が配電網１１に接続されるか、又は既に接続されている負荷が配電網１１からより多くの電力を必要とする。燃料流量は、それに応じて増加する。

燃料流量は、タービン回転速度の減速を検出するシグナルに基づいて、制御ユニット５１によって制御される。燃料制御弁４１を開くことによる燃料流量の迅速な増加は、タービン５及び発電機９の必要な回転速度を維持する。酸化剤流量を、変更された燃料流量に適合させるために、タービン５及び発電機９の所望の回転速度を維持するために要求されるように必要な追加の熱出力が生成されるように、制御ユニット５１は、二次酸化剤制御弁５７の制御された開口部により、二次酸化剤流量を増加させる。

時刻ｔ２において、負荷増加は終了し、酸化剤及び燃料流量の増加も停止する。

時間間隔ｔ３～ｔ４において、反対の過渡現象が生じ、負荷Ｌが減少し、制御ユニット５１によって制御される燃料流量の減少によってバランスがとられる。燃料流量の急速な減少に追従し、燃焼器３における非化学量論的燃焼を回避するために、二次酸化剤制御弁５７が閉じられて、二次酸化剤供給ライン５３を通る酸化剤流量を急速に減少させ、したがって総酸化剤流量を、減少した燃料流量に適合させる。

燃料及び酸化剤流量の迅速な調整を必要としない遅い負荷変化は、二次酸化剤制御弁５７ではなく、主酸化剤制御弁１９を作動させて対処することができる。

いくつかの実施形態では、二次酸化剤制御弁５７を、０と最大二次酸化剤流量（二次酸化剤制御弁５７が完全に開いている）との間の中間的な二次酸化剤流量に対応する中間操作状態に保つことが有益であり得る。これにより、二次酸化剤制御弁５７を作動させて速い負荷変化（負荷の増加又は減少のいずれか）に対する迅速な反応に、確実に常に対処することができる。

したがって、二次酸化剤制御弁５７が燃料タービン負荷の突然の増加又は減少のバランスをとるように作動すると、二次酸化剤制御弁５７は、二次酸化剤流量をゆっくり減少させ、同時にライン１９を通る主酸化剤流量をゆっくり増加させることによって、又は二次酸化剤流量をゆっくり増加させ、同時に主酸化剤流量をゆっくり減少させることのいずれかによって、中間操作状態にゆっくり戻されることが有益であり得る。これら２つの過渡状態は、図３及び図４の図に示されている。

本開示のオキシ燃料タービンシステムを操作する方法をまとめたフローチャートが図５に示される。本方法は、燃料供給ライン（３９）を通って燃焼器（３）に燃料流を供給するステップ１０１と、熱交換器（２１）を通って燃焼器（３）に主酸化剤流を供給すると共に、二次酸化剤供給ライン（５３）を通って燃料供給ライン（３９）に二次酸化剤流を供給するステップ１０２と、を含む。本方法は、燃料供給ライン（３９）からの燃料及び酸化剤と、熱交換器（２１）からの酸化剤とを燃焼器（３）内で燃焼させること（ステップ１０３）と、加圧高温燃焼ガスの流れを生成することと、を更に含む。ステップ１０４では、燃焼器３からの高圧高温燃焼ガスをタービン（５）で膨張させて、機械的動力を発生させる。ステップ１０５では、タービン（５）から燃焼ガスが排出される。次のステップ１０６では、排出燃焼ガスは、熱交換器（２１）を通って流れて、排出燃焼ガスから主酸化剤流に熱を伝達する。ステップ１０７では、タービン（５）の負荷過渡状態が検出され、（ステップ１０８）二次酸化剤供給ライン（５３）を通る酸化剤流量及び燃料流量が負荷過渡状態に応答して調節される。負荷過渡状態が終了し、新しい負荷が安定すると、二次酸化剤流量を徐々にその初期値に戻すことができ、一方、熱交換器（２１）を通る主酸化剤流量を変化させて、燃料と酸化剤との間の化学量論比を維持することができる（ステップ１０９）。

例示的な実施形態は、上記で開示され、添付の図面に示されている。以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に具体的に開示されているものに、様々な変更、省略、及び追加を行ってもよいことが、当業者には理解されるであろう。

Claims (14)

1. ガスタービンシステム（１）であって、
   燃料及び酸化剤を燃焼させ、加圧高温燃焼ガスを生成するように適合された燃焼器（３）と、
   前記燃焼器（３）に流体連結され、前記燃焼器（３）からの前記加圧高温燃焼ガスの膨張によって回転されるタービン（５）と、
   前記タービン（５）に流体連結され、前記タービン（５）から排出された膨張燃焼ガスを冷却するように適合された熱交換器（２１）と、
   前記熱交換器（２１）を通って前記燃焼器（３）に主酸化剤流を供給するように適合された主酸化剤供給ライン（１３）であって、使用時に、前記熱交換器（２１）を通って流れる前記主酸化剤流が、前記タービン（５）から排出された燃焼ガスと熱交換し、その結果、熱が前記燃焼ガスから前記主酸化剤流に伝達され、前記燃焼ガスが冷却される、主酸化剤供給ライン（１３）と、
   第１の冷却された燃焼ガス流を前記熱交換器（２１）を通って前記燃焼器（３）に作動流体として再循環させるように適合された再循環ライン（２９）と、
   第２の冷却された燃焼ガス流を排出するように適合された燃焼ガス除去ライン（３１）と、
   前記燃焼器（３）に燃料を供給するように適合された燃料供給ライン（３９）と、
   前記燃焼器（３）に送られる燃料流量を調整するように適合された、前記燃料供給ライン（３９）に沿った燃料制御弁（４１）と、
   前記燃料制御弁（４１）の上流の混合点（５４）において前記燃料供給ライン（３９）に連結された二次酸化剤供給ライン（５３）であって、前記二次酸化剤供給ライン（５３）が、前記燃料供給ライン（３９）内に二次酸化剤流を供給するように適合されている、二次酸化剤供給ライン（５３）と、を備える、ガスタービンシステム（１）。
2. 前記二次酸化剤供給ライン（５３）が、前記熱交換器（２１）を迂回するように配置される、請求項１に記載のタービンシステム（１）。
3. 前記燃焼器が、前記燃料制御弁（４１）の下流に複数の燃料ノズル（３８）を備える、請求項１又は２に記載のタービンシステム。
4. タービン負荷変動に応答して前記タービン（５）の過渡状態中に前記二次酸化剤供給ライン（５３）を通る二次酸化剤流量を調節するように適合された二次酸化剤制御弁（５７）を前記二次酸化剤供給ライン（５３）内に更に備える、請求項１、２又は３に記載のタービンシステム（１）。
5. 前記主酸化剤供給ライン（１３）内の主酸化剤制御弁（１９）と、制御ユニット（５１）と、を更に備え、前記制御ユニットが、前記タービン（５）の負荷変動に応答して、前記二次酸化剤制御弁（５７）及び前記主酸化剤制御弁（１９）を選択的に開閉するように適合されている、請求項４に記載のタービンシステム（１）。
6. 前記制御ユニット（５１）が、
   前記タービン（３）の負荷の増加又は減少に応答して、前記二次酸化剤制御弁（５７）を通る二次酸化剤流量を増加又は減少させるステップと、
   その後、前記二次酸化剤制御弁（５７）を通る前記二次酸化剤流量を減少又は増加させると同時に、前記主酸化剤制御弁（１９）を通る主酸化剤流量を増加又は減少させ、前記燃焼器（３）への酸化剤流量をほぼ一定に維持するステップと、を行うように適合された、請求項５に記載のタービンシステム（１）。
7. 前記主酸化剤供給ライン（１３）内の前記酸化剤流量を検出するように適合された主酸化剤流量計（２０）と、
   前記二次酸化剤供給ライン（５３）内の前記酸化剤流量を検出するように適合された二次酸化剤流量計（５５）と、
   前記二次酸化剤供給ライン（５３）における前記酸化剤の流量を調整するように適合された二次酸化剤制御弁（５７）と、
   前記第１の酸化剤流量計（２０）及び前記二次酸化剤流量計（５３）からの検出シグナルに基づいて前記二次酸化剤制御弁（５７）に作用するように適合された制御ユニット（５１）と、
   を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載のタービンシステム（１）。
8. 前記燃料供給ライン（３９）を通る前記燃料流量を検出するように適合された燃料流量計（４３）を更に備え、前記制御ユニット（５１）が、前記第１の酸化剤流量計（２０）及び前記二次酸化剤流量計（５３）からの前記検出シグナルと組み合わせて、前記燃料流量計（４３）からの検出シグナルに基づいて、前記二次酸化剤制御弁（５７）に作用するように適合される、請求項７に記載のタービンシステム。
9. タービンシステムの操作のための方法であって、前記方法が、
   燃料供給ライン（３９）を通って燃焼器（３）に燃料流を供給することと、
   熱交換器（２１）を通って前記燃焼器（３）に主酸化剤流を供給することと、
   前記燃料供給ライン（３９）からの燃料及び酸化剤を前記燃焼器（３）内で燃焼させ、加圧高温燃焼ガスの流れを生成することと、
   前記燃焼ガスをタービン（５）内で膨張させ、それによって機械的動力を発生させることと、
   前記タービン（５）から排出燃焼ガスを排出することと、
   前記排出燃焼ガスを前記熱交換器（２１）に流して前記主酸化剤流と熱交換させることによって、前記排出燃焼ガスを冷却し、前記主酸化剤流を加熱することと、
   第１の冷却された燃焼ガス流を前記熱交換器（２１）を通して前記燃焼器（３）に作動流体として再循環させ、第２の冷却された燃焼ガス流を排出することと、
   前記燃料流に二次酸化剤流を供給し、前記燃料供給ライン（３９）に配置された燃料制御弁（４１）の上流で前記燃料流に前記二次酸化剤流をブレンドすることと、
   前記酸化剤と燃料とのブレンドを前記燃焼器（３）に供給することと、を含む、方法。
10. 前記酸化剤と燃料とのブレンドが、前記燃焼器（３）の複数の燃料ノズル（３８）に供給される、請求項９に記載の方法。
11. 前記タービン（５）の負荷変動に応答して前記二次酸化剤流の流量を調節するステップを更に含む、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記タービン（３）の負荷の増加又は減少に応答して、二次酸化剤制御弁（５７）を通る二次酸化剤流量を増加又は減少させるステップと、
    その後、前記二次酸化剤制御弁（５７）を通る前記二次酸化剤流量を減少又は増加させると同時に、主酸化剤制御弁（１９）を通る主酸化剤流量を増加又は減少させ、前記燃焼器（３）への酸化剤流量をほぼ一定に維持するステップと、
    を更に含む、請求項９又は１０又は１１に記載の方法。
13. 前記第２の冷却された燃焼ガス流から二酸化炭素を捕捉するステップを更に含む、請求項９～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記二次酸化剤流が、前記熱交換器（２１）を迂回する二次酸化剤供給ライン（５３）を通って供給される、請求項９～１３のいずれか一項に記載の方法。