JP2004076639A

JP2004076639A - ガスタービン装置

Info

Publication number: JP2004076639A
Application number: JP2002236812A
Authority: JP
Inventors: Yoshimoto Fujii; 藤井　良基; Tatsuya Shimada; 島田　達哉; Koichi Takashi; 高士　弘一; Takamitsu Kusada; 艸田　隆充
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】ガスタービンのタービン効率を大幅に向上させたガスタービン装置を提供する。
【解決手段】酸素含有ガスを圧縮するための酸素含有ガス用コンプレッサ１と、燃料を圧縮するための燃料用コンプレッサ２と、前記酸素含有ガス用コンプレッサ１で圧縮された酸素含有ガスの一部と前記燃料用コンプレッサ２で圧縮された燃料が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として燃料を燃焼させる第１の燃焼器３と、該第１の燃焼器３から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第１のガスタービン４と、該第１のガスタービン４からの排出ガスと前記酸素含有ガス用コンプレッサ１で圧縮された酸素含有ガスの一部が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として前記排出ガス中の可燃性ガスを燃焼させる第２の燃焼器６と、該第２の燃焼器６から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第２のガスタービン７とを有する。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼排ガスによりタービンを駆動するガスタービン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来技術に係るガスタービン装置の概略構成の一例を示した図である。図５に示すガスタービン装置は、酸素含有ガスを圧縮するための酸素含有ガス用コンプレッサ１と、燃料を圧縮するための燃料用コンプレッサ２と、前記酸素含有ガス用コンプレッサ及び燃料用コンプレッサで圧縮された酸素含有ガス及び燃料を燃焼させる燃焼器３と、前記燃焼器３から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動するガスタービン４と、ガスタービン４からの排気ガスから廃熱の回収を行うボイラ５とを備えている。
【０００３】
前記燃焼器３では、有害物質の発生を防止するため完全燃焼させる必要がある。しかし、排ガス中の酸素濃度が１％程度となるような完全燃焼させた後の燃焼排ガスは非常に高温のガスとなるので、燃焼器の耐火物寿命が著しく短くなったり、構造が複雑化したりする。また、その高温の燃焼排ガスをそのままガスタービンに導入したのではタービンを熱損傷させる危険性がある。そこで、従来技術においては、前記燃焼器３に稀釈ガスを導入できる構成とし、高温の燃焼排ガスに稀釈ガスを混合して燃焼器及びタービンに熱損傷を与えない程度の温度まで燃焼排ガスの温度を下げることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼排ガスに稀釈ガスを混合することにより、ガスタービン４に導入されるガスの量が増加し、それに伴ってガスタービン４から排出される排気ガスの量も増加する。そのため、ガスタービン４から排出される排気ガス中の廃熱が増加し、ガスタービンのタービン効率が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、ガスタービンのタービン効率を大幅に向上させたガスタービン装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
［１］酸素含有ガスを圧縮するための酸素含有ガス用コンプレッサと、燃料を圧縮するための燃料用コンプレッサと、前記酸素含有ガス用コンプレッサで圧縮された酸素含有ガスの一部と前記燃料用コンプレッサで圧縮された燃料が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として燃料を燃焼させる第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第１のガスタービンと、該第１のガスタービンからの排出ガスと前記酸素含有ガス用コンプレッサで圧縮された酸素含有ガスの一部が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として前記排出ガス中の可燃性ガスを燃焼させる第２の燃焼器と、該第２の燃焼器から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第２のガスタービンとを有することを特徴とするガスタービン装置。
［２］上記［１］において、第２の燃焼器が、一端が開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナであることを特徴とするガスタービン装置。
［３］上記［１］又は［２］において、燃料用コンプレッサに２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置を接続したことを特徴とするガスタービン装置。
［４］上記［３］において、第１の燃焼器が管状火炎バーナであることを特徴とするガスタービン装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るガスタービン装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１に示すガスタービン装置は、酸素含有ガスを圧縮するための酸素含有ガス用コンプレッサ１と、燃料を圧縮するための燃料用コンプレッサ２と、前記酸素含有ガス用コンプレッサ１で圧縮された酸素含有ガスの一部と前記燃料用コンプレッサ２で圧縮された燃料が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として燃料を燃焼させる第１の燃焼器３と、この第１の燃焼器３から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第１のガスタービン４と、この第１のガスタービン４からの排出ガスと前記酸素含有ガス用コンプレッサ１で圧縮された酸素含有ガスの一部が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として前記排出ガス中の可燃性ガスを燃焼させる第２の燃焼器６と、この第２の燃焼器６から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第２のガスタービン７とを有する。ここで、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。
【０００８】
なお、このガスタービン装置には、ガスタービン７からの排気ガスから廃熱の回収を行うボイラ５を備えても良く、この場合、前記ボイラ５で発生させた蒸気は、例えば、図示していない蒸気タービンに送られ発電に供されることにより、前記排気ガスの廃熱の有効利用が図られる。
【０００９】
図１に示す構成とすることにより、前記第１の燃焼器３から排出される燃焼排ガス中に不完全燃焼による未燃ガス成分（可燃成分）や有害物質等が残存していても、第１のガスタービン４の後段に設置される第２の燃焼器６内で別途供給される酸素含有ガスを支燃剤として完全燃焼させることにより、前記第２の燃焼器６から排出される燃焼排ガス中から未燃ガス成分や有害物質を排除することが可能となる。
【００１０】
これにより、第１の燃焼器３内では供給した燃料を完全燃焼させる必要が無いので、供給する酸素含有ガスの混合比を調節することにより前記第１の燃焼器３から排出される燃焼排ガスの温度をコントロール可能となる。その結果、前記第１の燃焼器３から排出される燃焼排ガスの温度を下げるために添加する稀釈ガスが不要となり、最終的にガスタービン装置から排出される排気ガスの量が減り、この排気ガスと共に排出される廃熱の量を減らすことが可能となるのでガスタービン装置のタービン効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００１１】
前記第１のガスタービン４から排出される排出ガスは低カロリーのガスであるので、後段に設置される第２の燃焼器６内で別途供給される酸素含有ガスを支燃剤として完全燃焼させても、前記第２の燃焼器６から排出される燃焼排ガスの温度は燃焼器６及び第２のガスタービン７に熱損傷を与える程の高温とはならず、稀釈ガスを添加する必要はなく、ガスタービンのタービン効率の向上に寄与する。なお、前記第２の燃焼器６から排出される燃焼排ガスの温度が燃焼器６及びガスタービン７に熱損傷を与える可能性のある温度の場合には、例えば、図１に破線で図示しているように、ボイラ５から抜き出した排ガスをコンプレッサ８で圧縮した後、稀釈ガスとして前記燃焼器６に導入するようにしてもよい。さらに、燃焼器３での燃焼排ガスの温度を下げるために、ボイラ５から抜き出した排ガスをコンプレッサ８で圧縮した後のガスを前記燃焼器３に導入するようにしてもよい。
【００１２】
ここで、前記第２の燃焼器６は管状火炎バーナであることが好ましい。管状火炎バーナは、低カロリー燃料に対しても安定した燃焼が可能であり、排出される燃焼排ガスの低ＮＯｘ化、低ＳＰＭ化に貢献する。
【００１３】
前記管状火炎バーナの詳細を図２を用いて説明する。なお、管状火炎バーナの基本的な構成は特開平１１−２８１０１５号公報に示したものと同様である。
【００１４】
図２（ａ）は管状火炎バーナの側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。１３は管状の燃焼室であり、一端が開放されて燃焼排ガスの排出口になっている。この燃焼室１３の周囲には、酸素含有ガスを吹き込むノズル１４ａ及び燃料を吹き込むノズル１４ｂが別々に設けられている。このノズル１４ａ，１４ｂは、燃焼室１３に対し、酸素含有ガス及び燃料の吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向になるように設けられており、酸素含有ガス及び燃料の吹き込みによって、燃焼室１３内に旋回流が形成されるようになっている。そして、ノズル１４ａ及び１４ｂの先端部の形状を扁平に形成し、かつその開口面積を絞ることにより、燃焼室内に高速の旋回流を形成することができる。１５は点火プラグ、１６は火炎を示す。
【００１５】
なお、図２においては、酸素含有ガスを吹き込むノズル１４ａと燃料を吹き込むノズル１４ｂを別々に設けているが、酸素含有ガスと燃料を予め混合してから吹き込むようにしてもよい。また、それぞれのノズルの数及び設置位置は特に限定されるものではなく、装置構成等により適宜選択され得る。
【００１６】
上記のように構成されたバーナにおいて、ノズル１４ａ及び１４ｂから吹き込まれて旋回流を形成している混合気に点火すると、燃焼室１３内のガスが密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁側には未燃焼のガスが存在するようになる。
【００１７】
また、内壁近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っており、火炎が内壁近傍までは伝播しないので、燃焼室１３内には火炎が管状の形になって生成する。燃焼室の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１３の壁面が直接的に加熱されて高温に曝されることはない。燃焼室１３内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間に、内壁側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。
【００１８】
上記のバーナ構成とすることにより、燃焼室１３内においては、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼排ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
【００１９】
このように安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼排ガスを発生させることができる。また、燃料成分が非常に希薄な極低発熱量のガスでも安定して燃焼させることができるので、安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。
【００２０】
また、前記燃料用コンプレッサ２には、２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置を接続してもよい。
【００２１】
燃料用コンプレッサ２に、２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置９を接続した場合の一例を図３に示す。なお、図１に示す構成と同一の部分には同一の番号を付して説明を省略する。
【００２２】
ここで、前記２種以上の異なる発熱量の燃料としては、例えば、ＬＮＧ、プロパンガス、灯油、重油および鉄鋼製造プロセスにおいて副生されるＣガス（コークス炉ガス）、Ｂガス（高炉ガス）、ＬＤガス（転炉ガス）等を用いることができる。これらの燃料を燃料供給装置９に接続し、この燃料供給装置９内でこれらの燃料を所定の比率で混合することにより、所定の発熱量を有する燃料を第１の燃焼器３に供給可能となる。第１の燃焼器３に供給する燃料の発熱量を調整することにより、前記燃焼器３から排出される燃焼排ガスの温度をコントロールすることが可能となるので、稀釈ガスを添加する必要がなくガスタービン装置のタービン効率を大幅に向上させることが可能となる。なお、前記燃料供給装置９は、図示しない燃焼制御装置からの制御信号により、燃料供給装置９に供給される各燃料の混合比率を調節するようにしても良い。
【００２３】
また、図３に示す装置構成において、第１の燃焼器３が管状火炎バーナであることが好ましい。
【００２４】
管状火炎バーナは、上述したように多種多様な燃料に対して安定な燃焼が可能である。そのため、供給される燃料の種類に応じて複数の燃焼器を設ける必要はなく、１つの管状火炎バーナで発熱量の異なる多種類の燃料に対応することが可能となる。これにより、供給される燃料の種類に応じて複数の燃焼器を設ける必要はなく、設備費の増大を防止し、さらに、メンテナンス費用等の維持費を低減することが可能となる。
【００２５】
なお、図１又は図３に示した本実施形態に係るガスタービン装置の装置構成において、第１のガスタービン４とボイラ５との間に設置した第２の燃焼器６と、この燃焼器６から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第２のガスタービン７との組み合わせを直列に複数段設置してもよい。
【００２６】
図１において、前記第２の燃焼器６と第２のガスタービン７との組み合わせを直列に２段設置した場合のガスタービン装置の概略構成を図４に示す。なお、図１に示す構成と同一の部分には同一の番号を付して説明を省略する。
【００２７】
ここで、第２の燃焼器６と第２のガスタービン７との組み合わせを直列に複数段設置した場合には、最終段の燃焼器６（図４においては燃焼器６ｂ）での燃焼は完全燃焼とする必要がある。
【００２８】
前記第２の燃焼器６と第２のガスタービン７との組み合わせを直列に複数段設置することにより、複数設置されたガスタービンのそれぞれに供給される燃焼排ガスの温度を最も効率の良い温度に調節することが可能となり、ガスタービン装置におけるタービン効率をより向上させることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガスタービンのタービン効率を大幅に向上させたガスタービン装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービン装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】（ａ）管状火炎バーナの側断面図である。
（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。
【図３】本発明に係る燃料用コンプレッサに、２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置を接続した場合の一例を示す図である。
【図４】第２の燃焼器と第２のガスタービンとの組み合わせを直列に２段設置した場合のガスタービン装置の概略構成を示す図である。
【図５】従来技術に係るガスタービン装置の概略構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１　酸素含有ガス用コンプレッサ
２　燃料用コンプレッサ
３　第１の燃焼器
４　第１のガスタービン
５　ボイラ
６　第２の燃焼器
７　第２のガスタービン
８　コンプレッサ
９　燃料供給装置
１３　燃焼室
１４　ノズル
１５　点火プラグ
１６　火炎

Claims

酸素含有ガスを圧縮するための酸素含有ガス用コンプレッサと、燃料を圧縮するための燃料用コンプレッサと、前記酸素含有ガス用コンプレッサで圧縮された酸素含有ガスの一部と前記燃料用コンプレッサで圧縮された燃料が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として燃料を燃焼させる第１の燃焼器と、該第１の燃焼器から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第１のガスタービンと、該第１のガスタービンからの排出ガスと前記酸素含有ガス用コンプレッサで圧縮された酸素含有ガスの一部が供給され、酸素含有ガスを支燃剤として前記排出ガス中の可燃性ガスを燃焼させる第２の燃焼器と、該第２の燃焼器から排出される燃焼排ガスによりタービンを駆動させる第２のガスタービンとを有することを特徴とするガスタービン装置。
第２の燃焼器が、一端が開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
燃料用コンプレッサに２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置を接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービン装置。
第１の燃焼器が管状火炎バーナであることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン装置。