JP2004218532A - ガスタービンプラントおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する際、ダイオキシンの発生を抑制するガスタービンプラントおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】本発明によるガスタービンプラントは、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系を有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にサイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明によるガスタービンプラントは、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系を有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にサイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントおよびガスタービンプラントの運転方法に係り、特に燃料としてバイオマス（生物資源）を使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせるガスタービンプラントおよびガスタービンプラントの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電力生成分野には、地球温暖化防止のために、再生可能なエネルギの使用の増加が強く求められている。
【０００３】
再生可能なエネルギのうち、バイオマスは、朽ちていた資源をエネルギとして利用でき、その分、化石燃料の消費を抑制できる代替エネルギとして有効な手段である。
【０００４】
バイオマスを燃料として用いた代表的発電設備には、バイオマスをボイラで燃焼させ、その熱源を利用して蒸気を発生させ、発生させた蒸気を蒸気タービンに供給し、動力を得るものがある。このようなプラントは効率を大きくするために比較的大型の発電設備にする場合が多い。
【０００５】
しかし、バイオマスは、質量当りの発熱量が化石燃料より低く、密度も一般に低いため、同一の発熱量を得るためのかさが化石燃料よりかなり大きい。
【０００６】
また、バイオマスは、各地に広く分布しているものの、化石燃料のように一個所から大量に得られることが少なく、収集および運搬に多くの費用がかかる特性がある。
【０００７】
このため、大規模なバイオマス利用設備を伴っても、広範囲な燃料供給面積を必要とし、運用費用が大きくなる。
【０００８】
そのため、比較的小型で分散電源として利用しやすいガスタービンやガスエンジンの利用が考えられる。最近では、バイオマスをガス化して、ガスエンジンやガスタービンプラントの燃料とする発電方法が研究されている。
【０００９】
しかし、バイオマスをガス化する場合、ガス化設備にコストがかかり、さらにガス化に伴う変換効率が発電効率に掛け合わされるため、高い効率が本質的に得られ難い。
【００１０】
このように摸索の中、バイオマスを燃料として燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスを直接、ガスタービンに供給するバイオマスガスタービンプラントが、例えば特表平７−５０８８１６号公報（特許文献１参照）に開示されている。
【００１１】
バイオマスを燃料とするガスタービンプラントを設計する場合、バイオマスによる高温燃焼ガスに対処する燃焼器の設計、燃焼灰のタービン翼への付着防止、タービン翼への灰付着を防止するためのガスタービン入口燃焼ガス温度低減化に伴う発電効率の低下防止策、負荷しゃ断時のガスタービンロータ（回転軸）のオーバスピード防止策などの解決策が一つの考え方として上述の特表平７−５０８８１６号公報に提案されている。
【００１２】
他方、この種の他の発明として、例えば国際出願特許ＷＯ ００／６０２２５号公報（特許文献２参照）が開示されている。
【００１３】
この発明によれば、バイオマスの燃えるメカニズムが詳述されており、バイオマスの細胞内のゲルが高温燃焼ガス場で急激に蒸発し、細胞膜を破壊して粉々になり、非常に短い燃焼時間で燃焼することが記載されている。これを実現する手法として、この発明では、２次燃料での加熱やバイオマス粒子の燃焼が１００ｍｓ以内になるよう燃焼室を構成するとともに、燃焼室を金属で作製し、耐火物を２ｍｍ以内の内貼あるいは耐火物なしの構成が提案されている。
【００１４】
【特許文献１】
特表平７−５０８８１６号公報
【００１５】
【特許文献２】
国際出願特許ＷＯ ００／６０２２５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許公報は、ともに、バイオマスの燃焼メカニズムを把握し、燃焼室でバイオマスを如何にして効果的に燃焼させるかが記載されている。
【００１７】
しかし、上述の特許公報には、ともに、バイオマスを燃焼させる際に発生するダイオキシンに関する技術事項が何ら言及されていない。
【００１８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する際、ダイオキシンの発生を抑制するガスタービンプラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明による他の目的は、バイオマスを燃焼器に供給中、着火の発生を防止するガスタービンプラントを提供するにある。
【００２０】
また、本発明による他の目的は、部分負荷運転時、発電効率をより一層向上させるとともに、システム全体のコンパクト化を図ったガスタービンプラントを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系を有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にサイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないことを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系とを有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にガスタービン排ガス温度が２００℃を上回らないことを特徴とするものである。
【００２３】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系と、ガスタービンに接続した圧縮機から出た燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするものである。
【００２４】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系の中間部に接続する外気導入系と、前記排ガス放出系の外気導入系の上流に接続し、前記サイクロンセパレータから延びる燃焼ガス量調整系と、圧縮機からの燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃料タンクに投入したバイオマスを燃焼器に供給する搬送路と、この搬送路に設けた火炎検知センサと、前記搬送路に接続され、不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、この不活性ガス供給系に設けた調整弁に前記火炎検知センサからの信号に基づいて演算された弁開閉信号を与える制御器とを備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によるガスタービンプラントプラントのは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物を除去するサイクロンフィルタと、このサイクロンフィルタで不純物を除去した燃焼ガスに膨張仕事をさせて動力を発生させるガスタービンと、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する圧縮機と、前記ガスタービンから発生する動力で駆動される発電機と、前記ガスタービン、前記圧縮機、前記発電機を軸結合させるとともに、前記発電機に電気的に接続させたインバータとを備えたことを特徴とするものである。
【００２７】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加える方法である。
【００２８】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出する方法である。
【００２９】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出する一方、前記排ガス放出系に放出する前記燃焼ガスと前記ガスタービンから前記排ガス放出系に放出する排ガスとの混合ガスの温度が２００℃を上回らないように、前記排ガス放出系に備えた外気導入系からの空気にて低温化させる方法である。
【００３０】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、バイオマス燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回らないとき、前記燃焼器にバイオマス燃料のほかに化石燃料を同時に用いて混焼させる方法である。
【００３１】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、起動運転時、化石燃料を燃料とし、その燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービン供給して膨張仕事をさせるとともに、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回ったとき、前記燃料をバイオマス燃料に切り替える方法である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３３】
図１は、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法を説明する概略系統図である。
【００３４】
本実施形態によるガスタービンプラントは、発電電動機１に軸直結させた圧縮機２およびガスタービン３と、ガスタービン３からの排ガス４を熱源として圧縮機２からの圧縮空気５を熱交換させて加熱し、高温燃焼用空気６に再生する再生器７と、再生器７を出た高温燃焼用空気６の一部を燃焼器１９に供給する燃焼用空気供給系８と、この燃焼用空気供給系８から分岐し、中間部にバイパス弁９を備え、サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８の出口側とガスタービン３の入口側とを結ぶ燃焼ガス供給系１２に接続する燃焼用分岐空気供給系１１とを備えている。
【００３５】
また、ガスタービンプラントは、再生器７の出口と煙突１３とを接続させる排ガス放出系１４を備えるとともに、この排ガス放出系１４の中間部に接続する外気導入系１５を備えている。
【００３６】
また、ガスタービンプラントは、サイクロンセパレータ１０に設けた温度センサ１８の出口側から延び、途中に燃焼ガス用流量調整弁１６を介装して排ガス放出系１４に接続されている外気導入系１５の上流に接続する燃焼ガス量調整系１７を備えている。
【００３７】
また、ガスタービンプラントは、燃焼器１９の入口側に燃料弁２０を介装させた化石燃料を供給する燃料供給系２２と、バイオマス流量を調整するバイオマス供給装置２１を介装させたバイオマス供給系２３とを備えるとともに、燃焼器１９とサイクロンセパレータ１０とを連絡管２５で接続させている。
【００３８】
次に、ガスタービンプラントの運転方法を説明する。
【００３９】
上述の構成を備えたガスタービンプラントの運転方法は、起動運転時、化石燃料を使用し、負荷上昇中に徐々にバイオマス燃料に切り替えられ、バイオマス燃料での単独運転ができない場合は化石燃料で補って助燃し、この間、燃焼器１９から生成された燃焼ガスおよび再生器７から再生された高温燃焼用空気６を調整してサイクロン出口部の温度センサを通過する燃焼ガス温度を８００℃以上に維持し、ダイオキシンの発生を抑制している。
【００４０】
まず、起動運転時、ガスタービンプラントは、燃料弁２０を開弁させ、化石燃料を燃料供給系２２から燃焼器１９に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスは連絡管２５を介してサイクロンセパレータ１０に供給され、温度センサ１８および燃焼ガス供給系１２を介してガスタービン３に供給される。
【００４１】
また、ガスタービンプラントは、上述のステップと同時に、発電電動機１を駆動させ、その駆動力で圧縮機２およびガスタービン３を回転させ、この作動に伴って圧縮機２で大気から吸い込んだ空気２４を圧縮空気５にし、その圧縮空気５を再生器７に供給し、ここで、上述のガスタービン３からの排ガス４を熱源として熱交換させ、高温燃焼用空気６として燃焼器１９に供給する。
【００４２】
ガスタービン３は、燃焼ガスによって膨張仕事を行い、その際に発生する動力（回転トルク）で圧縮機２を駆動し、発電電動機１を発電運転に切り替えるとともに、膨張仕事を終えた合流混合流体を排ガス４として再生器７に供給する。そして再生器７は、排ガス４を熱源とし、圧縮機２からの圧縮空気５を加熱させ、高温燃焼用空気６として燃焼用空気供給系８等に供給する。
【００４３】
このような運転を行うガスタービンプラントは、サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８を通る燃焼ガスが温度８００℃以上になるまで継続される。この間、バイパス弁９を閉じ、燃焼用分岐空気供給系１１には高温燃焼用空気６は流れていない。この時、温度センサ１８を通る燃焼ガス温度とガスタービン３に入る燃焼ガス温度は同じ温度となる。
【００４４】
サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８を通る燃焼ガスが温度８００℃以上になった状態でバイオマス燃料に切り替えるとダイオキシンの発生が抑制される状態での運転が可能となる。
【００４５】
化石燃料単独で温度センサ１８と通る燃焼ガスが８００℃未満の状態でバイオマス燃料に切り替える場合は、バイパス弁９を開弁させ、燃焼用分岐空気供給系１１に高温燃焼用空気６の一部を分岐し、燃焼ガス供給系１２からの燃焼ガスに合流させてガスタービン３に供給する。こうすることで燃焼器１９に供給される空気量が減少し、サイクロンセパレータ１０出口の温度センサ１８を通過する燃焼ガスは８００℃以上に上昇し、ダイオキシンの発生が抑制される状態でバイオマス燃料への切替えが可能となる。この時、ガスタービン３に入る燃焼ガス温度は燃焼用分岐空気供給系１１を通過した空気によって希釈されるため、温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度よりは低い温度となる。
【００４６】
この間、燃焼用分岐空気供給系１１に流れる高温燃焼用空気６の流量調整をバイパス弁９で行わせている。このとき、何らかの事情で、ガスタービン負荷が予め定められた負荷を超えていると、ガスタービンプラントは、燃焼ガス量調整系１７の燃焼ガス用流量調整弁１６を開閉制御させ、サイクロンセパレータ１０を出た燃焼ガスの一部を流量制御させながら燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に供給させる。
【００４７】
排ガス放出系１４は、燃焼ガス量調整系１７からの燃焼ガスに再生器７からの排ガス４を合流させ、その合流流体に外気導入系１５からの空気を加えて排ガスの温度を２００℃以下にさせ、煙突１３から大気に放出させる。なお、外気導入系１５は空気を自然通風させてもよく、またブロア等を用いて強制通風させてもよい。
【００４８】
このようにバイオマス燃料を燃焼器１９で燃焼させる時はサイクロンセパレータ１０の出口部の温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度を８００℃以上に維持するようにバイパス弁９を調整し、燃焼器１９に供給される燃焼用空気量を調整する。
【００４９】
バイパス弁９の開度については上限があり、ある設定上限を設ける必要がある。それは燃焼器１９へ供給される燃焼用空気が極端に小さくならないようにするためであり、燃焼用空気不足により燃焼器１９での燃焼安定性が損なわれることを防ぐためである。
【００５０】
バイパス弁９の開度が上限まで開いても温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度が８００℃以上とならない場合は化石燃料にて助燃する必要がある。
【００５１】
また、ガスタービン運転中、予め定められた負荷以上になっていると、ガスタービンプラントは、燃焼ガス量調整系１７の燃焼ガス用流量調整弁１６を開閉制御させ、サイクロンセパレータ１０を出た燃焼ガスの一部を燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に放出させ、ここで外気導入系１５からの空気を加えて温度を２００℃以下にして煙突１３から大気に放出させる。
【００５２】
このように、本実施形態は、起動時、化石燃料にて運転し、その後、バイオマス燃料に切り替える際、バイオマスの燃焼ガスによる負荷上昇中、負荷定格運転中あるいは部分負荷運転中、燃焼器１９から生成される燃焼ガスの温度が８００℃以下のとき、高温燃焼用空気６を分岐し、燃焼器１９へ供給される燃焼用空気を調整してサイクロン出口部の流体の温度を８００℃以上に維持させるとともに、運転中、何らかの事情で負荷が非常に高くなったとき、サイクロンセパレータ１０から出た燃焼ガスの一部を燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に供給し、負荷を調整することができる。
【００５３】
また、燃焼ガス放出系１４には外気導入系１５よりの空気でここでの温度を２００℃以下に低下させて煙突１３から大気に放出させるので、ダイオキシンの生成を確実抑制にすることができる。
【００５４】
図２および図３は、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂ、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘのそれぞれを示す温度分布線図であり、縦軸に温度を、横軸に負荷をそれぞれ採っている。なお、図２は、図１で示した燃焼用空気供給系８から分岐し、燃焼ガス供給系１２に接続する燃焼用分岐空気供給系１１を備えていない場合の温度分布線図であり、図３は燃焼用分岐空気供給系１１を備えている場合の温度分布線図である。
【００５５】
図２では、サイクロンセパレータ（集塵器）の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃは、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂと等しい。
【００５６】
ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂは、負荷の上昇とともに高くなる。負荷が低く、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃よりも低いとき、ダイオキシンが多量に発生することがよく知られている。
【００５７】
これに対し、図３は、燃焼用分岐空気供給系１１を備えている場合の温度分布線図である。
【００５８】
図３では、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃以下の時、バイパス弁９を開閉制御させ、燃焼器１９へ供給される高温燃焼用空気６を減少させることでサイクロンセパレータ１０の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃは８００℃以上に調整でき、減少させた分の空気をガスタービン入口上流でサイクロンセパレータ出口からの燃焼ガスと混合するので、バイパス弁９を通る高温燃焼用空気６の流量をコントロールしてもガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂは図２で示した燃焼用分岐空気供給系１１のないときと同じになる。すなわち、ガスタービン３の膨張仕事に影響を与えることなく、サイクロンセパレータ１０の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃを調整することができる。ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃を超えると、バイパス弁９を閉弁させ、高温燃焼用空気６の全量を燃焼器１９に供給すればよい。
【００５９】
このように、本実施形態では、サイクロンセパレータ１０を出る燃焼ガスの温度を８００℃以上に維持させているので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００６０】
他方、ガスタービン３で膨張仕事を終えた排ガス４は、再生器７で圧縮機２からの圧縮空気５を加熱させ、その保有熱を失うことになるが、それでも図３に示すようにガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘが２００℃を超えることがある。
【００６１】
この場合、図１に示した外気導入系１５からの空気を供給してガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘを２００℃以下に抑えているので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００６２】
図４は、本発明によるガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、図４は燃料供給から燃焼器までを抜き出した部分概念図である。
【００６３】
本実施形態によるガスタービンプラントは、バイオマス２６を収容する燃料タンク２７と、燃料タンク２７からバイオマス２６を燃焼器１９に供給する搬送路２８と、この搬送路２８に設けた火炎検知センサ２９と、搬送路２８に空気を送ってバイオマス２６に押圧力を与える空気供給系３０とを備えている。
【００６４】
また、ガスタービンプラントは、途中に調整弁３１を介装して容器３２からの不活性ガス、例えば窒素ガスを搬送路２８に供給する不活性ガス供給系３３と、調整弁３１に開閉制御信号を与える制御器３４とを備えている。なお、燃焼器１９には、燃焼用空気供給系８とバイオマス２６以外の燃料、例えば灯油等の液体燃料またはガス燃料等の燃料供給系２２とが設けられている。
【００６５】
このような構成を備えたガスタービンプラントにおいて、燃料タンク２７から搬送路２８に供給されたバイオマス２６は、燃焼器１９に供給する際、空気供給系３０からの空気が供給され、押圧力が与えられる。
【００６６】
この場合、バイオマス２６と空気とが混合し、何らかの事情でバイオマスが着火し、火炎を発生することがあった。
【００６７】
本実施形態は、この点を考慮したもので、搬送路２８に複数の火炎検知センサ２９を配置し、搬送路２８に火炎が発生した場合、火炎検知センサ２９で検出した火炎信号を制御器３４に送り、ここで弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁３１に与えて開弁させ、容器３２からの不活性ガスを不活性ガス供給系３３を介して搬送路２８に供給し、火炎を消火させる。なお火炎検知センサ２９は、ＣＯセンサ、煙センサ、熱電対等のうち、いずれかが用いられる。
【００６８】
このように、本実施形態は、搬送路２８に火炎検知センサ２９を備え、火炎検知センサ２９からの信号に基づいて制御器３４で弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁３１に与えて開閉制御させ、不活性ガスを搬送路２８に供給する構成にしたので、バイオマス２６からの火炎発生を確実に消火させることができる。
【００６９】
図５は、本発明によるガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略図である。
【００７０】
本実施形態によるガスタービンプラントは、発電機３５、圧縮機２、ガスタービン３を一つの軸で互いを軸結合させるとともに、別置に配置する燃焼装置３６を備えている。
【００７１】
この燃焼装置３６は、燃焼器１９、サイクロンフィルタ３７を備え、圧縮機２で吸込んだ大気を高圧に圧縮し、その圧縮空気を燃焼用空気３８とし、バイオマス２６とともに燃焼器１９に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンフィルタ３７で除去した後、ガスタービン１３に供給して膨張仕事をさせて動力を発生させるようになっている。
【００７２】
また、ガスタービンプラントは、燃焼装置３８の燃焼器１９にバイオマス２６を供給する際、バイオマス２６を収容するサイロ３９と、例えばベルトコンベア等の搬送手段で構成される燃料供給装置４０とを備えている。
【００７３】
また、ガスタービンプラントは、発電機３５を発電機電機子４１と永久磁石発電機ロータ４２等で構成するとともに、電気出力調整部としてのインバータ４３を備えている。
【００７４】
このように、本実施形態は、発電機３５にインバータ４３を備えたので、周波数を自在に調整することができ、ガスタービン３１の回転数を変化させて負荷を容易に調整することができる。特に、部分負荷運転時、発電効率を向上させる点で有効である。
【００７５】
また、本実施形態は、発電機３５、圧縮機２、ガスタービン３を一つの軸で互いを軸結合させたので、発電機３５とガスタービン３との減速ギアや専用駆動モータが不要となり、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法は、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータを介してガスタービン供給する際、サイクロンセパレータを出た燃焼ガス温度が８００℃以上に維持できるように、燃焼用空気を燃焼器に送るとき、分岐して燃焼器への空気供給を減少させるので、燃焼ガスが高温に維持され、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００７７】
また、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法は、ガスタービンから膨張仕事を終えた排ガスの温度が高いとき、外気導入系からの空気を加えて温度を低下させるので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００７８】
また、本発明によるガスタービンプラントは、空気の押圧力を利用して燃料タンクからのバイオマスを燃焼器に搬送路を介して供給する際に火炎が発生した場合、不活性ガス供給系からの不活性ガスを供給するので、バイオマスから発生する火炎を確実に消火させることができる。
【００７９】
また、本発明によるガスタービンプラントは、発電機、圧縮機、ガスタービンを一つの軸で互いを軸結合させるとともに、発電機にインバータを備えたので、装置全体をコンパクトにでき、部分負荷運転等で発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法を説明する概略系統図。
【図２】燃焼用分岐空気供給系を備えていない場合のガスタービン入口燃焼ガス温度、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度のそれぞれを示す温度分布線図。
【図３】燃焼用分岐空気供給系を備えている場合のガスタービン入口燃焼ガス温度、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度のそれぞれを示す温度分布線図。
【図４】本発明によるガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】本発明によるガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
１ 発電電動機
２ 圧縮機
３ ガスタービン
４ 排ガス
５ 圧縮空気
６ 高温燃焼用空気
７ 再生器
８ 燃焼用空気供給系
９ バイパス弁
１０ サイクロンセパレータ
１１ 燃焼用分岐空気供給系
１２ 燃焼ガス供給系
１３ 煙突
１４ 排ガス放出系
１５ 外気導入系
１６ 燃焼ガス用流量調整弁
１７ 燃焼ガス量調整系
１８ 温度センサ
１９ 燃焼器
２０ 燃料弁
２１ バイオマス流量調整弁
２２ 燃料供給系
２３ バイオマス供給系
２４ 空気
２５ 連絡管
２６ バイオマス
２７ 燃料タンク
２８ 搬送路
２９ 火炎検知センサ
３０ 空気供給系
３１ 調整弁
３２ 容器
３３ 不活性ガス供給系
３４ 制御器
３５ 発電機
３６ 燃焼装置
３７ サイクロンフィルタ
３８ 燃焼用空気
３９ サイロ
４０ 燃料供給装置
４１ 発電機電機子
４２ 永久磁石発電機ロータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントおよびガスタービンプラントの運転方法に係り、特に燃料としてバイオマス（生物資源）を使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせるガスタービンプラントおよびガスタービンプラントの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電力生成分野には、地球温暖化防止のために、再生可能なエネルギの使用の増加が強く求められている。
【０００３】
再生可能なエネルギのうち、バイオマスは、朽ちていた資源をエネルギとして利用でき、その分、化石燃料の消費を抑制できる代替エネルギとして有効な手段である。
【０００４】
バイオマスを燃料として用いた代表的発電設備には、バイオマスをボイラで燃焼させ、その熱源を利用して蒸気を発生させ、発生させた蒸気を蒸気タービンに供給し、動力を得るものがある。このようなプラントは効率を大きくするために比較的大型の発電設備にする場合が多い。
【０００５】
しかし、バイオマスは、質量当りの発熱量が化石燃料より低く、密度も一般に低いため、同一の発熱量を得るためのかさが化石燃料よりかなり大きい。
【０００６】
また、バイオマスは、各地に広く分布しているものの、化石燃料のように一個所から大量に得られることが少なく、収集および運搬に多くの費用がかかる特性がある。
【０００７】
このため、大規模なバイオマス利用設備を伴っても、広範囲な燃料供給面積を必要とし、運用費用が大きくなる。
【０００８】
そのため、比較的小型で分散電源として利用しやすいガスタービンやガスエンジンの利用が考えられる。最近では、バイオマスをガス化して、ガスエンジンやガスタービンプラントの燃料とする発電方法が研究されている。
【０００９】
しかし、バイオマスをガス化する場合、ガス化設備にコストがかかり、さらにガス化に伴う変換効率が発電効率に掛け合わされるため、高い効率が本質的に得られ難い。
【００１０】
このように摸索の中、バイオマスを燃料として燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスを直接、ガスタービンに供給するバイオマスガスタービンプラントが、例えば特表平７−５０８８１６号公報（特許文献１参照）に開示されている。
【００１１】
バイオマスを燃料とするガスタービンプラントを設計する場合、バイオマスによる高温燃焼ガスに対処する燃焼器の設計、燃焼灰のタービン翼への付着防止、タービン翼への灰付着を防止するためのガスタービン入口燃焼ガス温度低減化に伴う発電効率の低下防止策、負荷しゃ断時のガスタービンロータ（回転軸）のオーバスピード防止策などの解決策が一つの考え方として上述の特表平７−５０８８１６号公報に提案されている。
【００１２】
他方、この種の他の発明として、例えば国際出願特許ＷＯ ００／６０２２５号公報（特許文献２参照）が開示されている。
【００１３】
この発明によれば、バイオマスの燃えるメカニズムが詳述されており、バイオマスの細胞内のゲルが高温燃焼ガス場で急激に蒸発し、細胞膜を破壊して粉々になり、非常に短い燃焼時間で燃焼することが記載されている。これを実現する手法として、この発明では、２次燃料での加熱やバイオマス粒子の燃焼が１００ｍｓ以内になるよう燃焼室を構成するとともに、燃焼室を金属で作製し、耐火物を２ｍｍ以内の内貼あるいは耐火物なしの構成が提案されている。
【００１４】
【特許文献１】
特表平７−５０８８１６号公報
【００１５】
【特許文献２】
国際出願特許ＷＯ ００／６０２２５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許公報は、ともに、バイオマスの燃焼メカニズムを把握し、燃焼室でバイオマスを如何にして効果的に燃焼させるかが記載されている。
【００１７】
しかし、上述の特許公報には、ともに、バイオマスを燃焼させる際に発生するダイオキシンに関する技術事項が何ら言及されていない。
【００１８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する際、ダイオキシンの発生を抑制するガスタービンプラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明による他の目的は、バイオマスを燃焼器に供給中、着火の発生を防止するガスタービンプラントを提供するにある。
【００２０】
また、本発明による他の目的は、部分負荷運転時、発電効率をより一層向上させるとともに、システム全体のコンパクト化を図ったガスタービンプラントを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系を有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にサイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないことを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系とを有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にガスタービン排ガス温度が２００℃を上回らないことを特徴とするものである。
【００２３】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系と、ガスタービンに接続した圧縮機から出た燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするものである。
【００２４】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系の中間部に接続する外気導入系と、前記排ガス放出系の外気導入系の上流に接続し、前記サイクロンセパレータから延びる燃焼ガス量調整系と、圧縮機からの燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
本発明によるガスタービンプラントプラントは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃料タンクに投入したバイオマスを燃焼器に供給する搬送路と、この搬送路に設けた火炎検知センサと、前記搬送路に接続され、不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、この不活性ガス供給系に設けた調整弁に前記火炎検知センサからの信号に基づいて演算された弁開閉信号を与える制御器とを備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によるガスタービンプラントプラントのは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物を除去するサイクロンフィルタと、このサイクロンフィルタで不純物を除去した燃焼ガスに膨張仕事をさせて動力を発生させるガスタービンと、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する圧縮機と、前記ガスタービンから発生する動力で駆動される発電機と、前記ガスタービン、前記圧縮機、前記発電機を軸結合させるとともに、前記発電機に電気的に接続させたインバータとを備えたことを特徴とするものである。
【００２７】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加える方法である。
【００２８】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出する方法である。
【００２９】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出する一方、前記排ガス放出系に放出する前記燃焼ガスと前記ガスタービンから前記排ガス放出系に放出する排ガスとの混合ガスの温度が２００℃を上回らないように、前記排ガス放出系に備えた外気導入系からの空気にて低温化させる方法である。
【００３０】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、バイオマス燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回らないとき、前記燃焼器にバイオマス燃料のほかに化石燃料を同時に用いて混焼させる方法である。
【００３１】
本発明によるガスタービンプラントプラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、起動運転時、化石燃料を燃料とし、その燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービン供給して膨張仕事をさせるとともに、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回ったとき、前記燃料をバイオマス燃料に切り替える方法である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３３】
図１は、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法を説明する概略系統図である。
【００３４】
本実施形態によるガスタービンプラントは、発電電動機１に軸直結させた圧縮機２およびガスタービン３と、ガスタービン３からの排ガス４を熱源として圧縮機２からの圧縮空気５を熱交換させて加熱し、高温燃焼用空気６に再生する再生器７と、再生器７を出た高温燃焼用空気６の一部を燃焼器１９に供給する燃焼用空気供給系８と、この燃焼用空気供給系８から分岐し、中間部にバイパス弁９を備え、サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８の出口側とガスタービン３の入口側とを結ぶ燃焼ガス供給系１２に接続する燃焼用分岐空気供給系１１とを備えている。
【００３５】
また、ガスタービンプラントは、再生器７の出口と煙突１３とを接続させる排ガス放出系１４を備えるとともに、この排ガス放出系１４の中間部に接続する外気導入系１５を備えている。
【００３６】
また、ガスタービンプラントは、サイクロンセパレータ１０に設けた温度センサ１８の出口側から延び、途中に燃焼ガス用流量調整弁１６を介装して排ガス放出系１４に接続されている外気導入系１５の上流に接続する燃焼ガス量調整系１７を備えている。
【００３７】
また、ガスタービンプラントは、燃焼器１９の入口側に燃料弁２０を介装させた化石燃料を供給する燃料供給系２２と、バイオマス流量を調整するバイオマス供給装置２１を介装させたバイオマス供給系２３とを備えるとともに、燃焼器１９とサイクロンセパレータ１０とを連絡管２５で接続させている。
【００３８】
次に、ガスタービンプラントの運転方法を説明する。
【００３９】
上述の構成を備えたガスタービンプラントの運転方法は、起動運転時、化石燃料を使用し、負荷上昇中に徐々にバイオマス燃料に切り替えられ、バイオマス燃料での単独運転ができない場合は化石燃料で補って助燃し、この間、燃焼器１９から生成された燃焼ガスおよび再生器７から再生された高温燃焼用空気６を調整してサイクロン出口部の温度センサを通過する燃焼ガス温度を８００℃以上に維持し、ダイオキシンの発生を抑制している。
【００４０】
まず、起動運転時、ガスタービンプラントは、燃料弁２０を開弁させ、化石燃料を燃料供給系２２から燃焼器１９に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスは連絡管２５を介してサイクロンセパレータ１０に供給され、温度センサ１８および燃焼ガス供給系１２を介してガスタービン３に供給される。
【００４１】
また、ガスタービンプラントは、上述のステップと同時に、発電電動機１を駆動させ、その駆動力で圧縮機２およびガスタービン３を回転させ、この作動に伴って圧縮機２で大気から吸い込んだ空気２４を圧縮空気５にし、その圧縮空気５を再生器７に供給し、ここで、上述のガスタービン３からの排ガス４を熱源として熱交換させ、高温燃焼用空気６として燃焼器１９に供給する。
【００４２】
ガスタービン３は、燃焼ガスによって膨張仕事を行い、その際に発生する動力（回転トルク）で圧縮機２を駆動し、発電電動機１を発電運転に切り替えるとともに、膨張仕事を終えた合流混合流体を排ガス４として再生器７に供給する。そして再生器７は、排ガス４を熱源とし、圧縮機２からの圧縮空気５を加熱させ、高温燃焼用空気６として燃焼用空気供給系８等に供給する。
【００４３】
このような運転を行うガスタービンプラントは、サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８を通る燃焼ガスが温度８００℃以上になるまで継続される。この間、バイパス弁９を閉じ、燃焼用分岐空気供給系１１には高温燃焼用空気６は流れていない。この時、温度センサ１８を通る燃焼ガス温度とガスタービン３に入る燃焼ガス温度は同じ温度となる。
【００４４】
サイクロンセパレータ１０の出口側に設けた温度センサ１８を通る燃焼ガスが温度８００℃以上になった状態でバイオマス燃料に切り替えるとダイオキシンの発生が抑制される状態での運転が可能となる。
【００４５】
化石燃料単独で温度センサ１８と通る燃焼ガスが８００℃未満の状態でバイオマス燃料に切り替える場合は、バイパス弁９を開弁させ、燃焼用分岐空気供給系１１に高温燃焼用空気６の一部を分岐し、燃焼ガス供給系１２からの燃焼ガスに合流させてガスタービン３に供給する。こうすることで燃焼器１９に供給される空気量が減少し、サイクロンセパレータ１０出口の温度センサ１８を通過する燃焼ガスは８００℃以上に上昇し、ダイオキシンの発生が抑制される状態でバイオマス燃料への切替えが可能となる。この時、ガスタービン３に入る燃焼ガス温度は燃焼用分岐空気供給系１１を通過した空気によって希釈されるため、温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度よりは低い温度となる。
【００４６】
この間、燃焼用分岐空気供給系１１に流れる高温燃焼用空気６の流量調整をバイパス弁９で行わせている。このとき、何らかの事情で、ガスタービン負荷が予め定められた負荷を超えていると、ガスタービンプラントは、燃焼ガス量調整系１７の燃焼ガス用流量調整弁１６を開閉制御させ、サイクロンセパレータ１０を出た燃焼ガスの一部を流量制御させながら燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に供給させる。
【００４７】
排ガス放出系１４は、燃焼ガス量調整系１７からの燃焼ガスに再生器７からの排ガス４を合流させ、その合流流体に外気導入系１５からの空気を加えて排ガスの温度を２００℃以下にさせ、煙突１３から大気に放出させる。なお、外気導入系１５は空気を自然通風させてもよく、またブロア等を用いて強制通風させてもよい。
【００４８】
このようにバイオマス燃料を燃焼器１９で燃焼させる時はサイクロンセパレータ１０の出口部の温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度を８００℃以上に維持するようにバイパス弁９を調整し、燃焼器１９に供給される燃焼用空気量を調整する。
【００４９】
バイパス弁９の開度については上限があり、ある設定上限を設ける必要がある。それは燃焼器１９へ供給される燃焼用空気が極端に小さくならないようにするためであり、燃焼用空気不足により燃焼器１９での燃焼安定性が損なわれることを防ぐためである。
【００５０】
バイパス弁９の開度が上限まで開いても温度センサ１８を通過する燃焼ガス温度が８００℃以上とならない場合は化石燃料にて助燃する必要がある。
【００５１】
また、ガスタービン運転中、予め定められた負荷以上になっていると、ガスタービンプラントは、燃焼ガス量調整系１７の燃焼ガス用流量調整弁１６を開閉制御させ、サイクロンセパレータ１０を出た燃焼ガスの一部を燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に放出させ、ここで外気導入系１５からの空気を加えて温度を２００℃以下にして煙突１３から大気に放出させる。
【００５２】
このように、本実施形態は、起動時、化石燃料にて運転し、その後、バイオマス燃料に切り替える際、バイオマスの燃焼ガスによる負荷上昇中、負荷定格運転中あるいは部分負荷運転中、燃焼器１９から生成される燃焼ガスの温度が８００℃以下のとき、高温燃焼用空気６を分岐し、燃焼器１９へ供給される燃焼用空気を調整してサイクロン出口部の流体の温度を８００℃以上に維持させるとともに、運転中、何らかの事情で負荷が非常に高くなったとき、サイクロンセパレータ１０から出た燃焼ガスの一部を燃焼ガス量調整系１７を介して排ガス放出系１４に供給し、負荷を調整することができる。
【００５３】
また、燃焼ガス放出系１４には外気導入系１５よりの空気でここでの温度を２００℃以下に低下させて煙突１３から大気に放出させるので、ダイオキシンの生成を確実抑制にすることができる。
【００５４】
図２および図３は、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂ、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘのそれぞれを示す温度分布線図であり、縦軸に温度を、横軸に負荷をそれぞれ採っている。なお、図２は、図１で示した燃焼用空気供給系８から分岐し、燃焼ガス供給系１２に接続する燃焼用分岐空気供給系１１を備えていない場合の温度分布線図であり、図３は燃焼用分岐空気供給系１１を備えている場合の温度分布線図である。
【００５５】
図２では、サイクロンセパレータ（集塵器）の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃは、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂと等しい。
【００５６】
ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂは、負荷の上昇とともに高くなる。負荷が低く、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃よりも低いとき、ダイオキシンが多量に発生することがよく知られている。
【００５７】
これに対し、図３は、燃焼用分岐空気供給系１１を備えている場合の温度分布線図である。
【００５８】
図３では、ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃以下の時、バイパス弁９を開閉制御させ、燃焼器１９へ供給される高温燃焼用空気６を減少させることでサイクロンセパレータ１０の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃは８００℃以上に調整でき、減少させた分の空気をガスタービン入口上流でサイクロンセパレータ出口からの燃焼ガスと混合するので、バイパス弁９を通る高温燃焼用空気６の流量をコントロールしてもガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂは図２で示した燃焼用分岐空気供給系１１のないときと同じになる。すなわち、ガスタービン３の膨張仕事に影響を与えることなく、サイクロンセパレータ１０の出口を通る燃焼ガスの温度Ｔｃを調整することができる。ガスタービン入口燃焼ガス温度Ｔｂが８００℃を超えると、バイパス弁９を閉弁させ、高温燃焼用空気６の全量を燃焼器１９に供給すればよい。
【００５９】
このように、本実施形態では、サイクロンセパレータ１０を出る燃焼ガスの温度を８００℃以上に維持させているので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００６０】
他方、ガスタービン３で膨張仕事を終えた排ガス４は、再生器７で圧縮機２からの圧縮空気５を加熱させ、その保有熱を失うことになるが、それでも図３に示すようにガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘが２００℃を超えることがある。
【００６１】
この場合、図１に示した外気導入系１５からの空気を供給してガスタービン排気（排ガス）温度Ｔｅｘを２００℃以下に抑えているので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００６２】
図４は、本発明によるガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、図４は燃料供給から燃焼器までを抜き出した部分概念図である。
【００６３】
本実施形態によるガスタービンプラントは、バイオマス２６を収容する燃料タンク２７と、燃料タンク２７からバイオマス２６を燃焼器１９に供給する搬送路２８と、この搬送路２８に設けた火炎検知センサ２９と、搬送路２８に空気を送ってバイオマス２６に押圧力を与える空気供給系３０とを備えている。
【００６４】
また、ガスタービンプラントは、途中に調整弁３１を介装して容器３２からの不活性ガス、例えば窒素ガスを搬送路２８に供給する不活性ガス供給系３３と、調整弁３１に開閉制御信号を与える制御器３４とを備えている。なお、燃焼器１９には、燃焼用空気供給系８とバイオマス２６以外の燃料、例えば灯油等の液体燃料またはガス燃料等の燃料供給系２２とが設けられている。
【００６５】
このような構成を備えたガスタービンプラントにおいて、燃料タンク２７から搬送路２８に供給されたバイオマス２６は、燃焼器１９に供給する際、空気供給系３０からの空気が供給され、押圧力が与えられる。
【００６６】
この場合、バイオマス２６と空気とが混合し、何らかの事情でバイオマスが着火し、火炎を発生することがあった。
【００６７】
本実施形態は、この点を考慮したもので、搬送路２８に複数の火炎検知センサ２９を配置し、搬送路２８に火炎が発生した場合、火炎検知センサ２９で検出した火炎信号を制御器３４に送り、ここで弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁３１に与えて開弁させ、容器３２からの不活性ガスを不活性ガス供給系３３を介して搬送路２８に供給し、火炎を消火させる。なお火炎検知センサ２９は、ＣＯセンサ、煙センサ、熱電対等のうち、いずれかが用いられる。
【００６８】
このように、本実施形態は、搬送路２８に火炎検知センサ２９を備え、火炎検知センサ２９からの信号に基づいて制御器３４で弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁３１に与えて開閉制御させ、不活性ガスを搬送路２８に供給する構成にしたので、バイオマス２６からの火炎発生を確実に消火させることができる。
【００６９】
図５は、本発明によるガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略図である。
【００７０】
本実施形態によるガスタービンプラントは、発電機３５、圧縮機２、ガスタービン３を一つの軸で互いを軸結合させるとともに、別置に配置する燃焼装置３６を備えている。
【００７１】
この燃焼装置３６は、燃焼器１９、サイクロンフィルタ３７を備え、圧縮機２で吸込んだ大気を高圧に圧縮し、その圧縮空気を燃焼用空気３８とし、バイオマス２６とともに燃焼器１９に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンフィルタ３７で除去した後、ガスタービン１３に供給して膨張仕事をさせて動力を発生させるようになっている。
【００７２】
また、ガスタービンプラントは、燃焼装置３８の燃焼器１９にバイオマス２６を供給する際、バイオマス２６を収容するサイロ３９と、例えばベルトコンベア等の搬送手段で構成される燃料供給装置４０とを備えている。
【００７３】
また、ガスタービンプラントは、発電機３５を発電機電機子４１と永久磁石発電機ロータ４２等で構成するとともに、電気出力調整部としてのインバータ４３を備えている。
【００７４】
このように、本実施形態は、発電機３５にインバータ４３を備えたので、周波数を自在に調整することができ、ガスタービン３１の回転数を変化させて負荷を容易に調整することができる。特に、部分負荷運転時、発電効率を向上させる点で有効である。
【００７５】
また、本実施形態は、発電機３５、圧縮機２、ガスタービン３を一つの軸で互いを軸結合させたので、発電機３５とガスタービン３との減速ギアや専用駆動モータが不要となり、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法は、バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータを介してガスタービン供給する際、サイクロンセパレータを出た燃焼ガス温度が８００℃以上に維持できるように、燃焼用空気を燃焼器に送るとき、分岐して燃焼器への空気供給を減少させるので、燃焼ガスが高温に維持され、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００７７】
また、本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法は、ガスタービンから膨張仕事を終えた排ガスの温度が高いとき、外気導入系からの空気を加えて温度を低下させるので、ダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００７８】
また、本発明によるガスタービンプラントは、空気の押圧力を利用して燃料タンクからのバイオマスを燃焼器に搬送路を介して供給する際に火炎が発生した場合、不活性ガス供給系からの不活性ガスを供給するので、バイオマスから発生する火炎を確実に消火させることができる。
【００７９】
また、本発明によるガスタービンプラントは、発電機、圧縮機、ガスタービンを一つの軸で互いを軸結合させるとともに、発電機にインバータを備えたので、装置全体をコンパクトにでき、部分負荷運転等で発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービンプラントおよびその運転方法を説明する概略系統図。
【図２】燃焼用分岐空気供給系を備えていない場合のガスタービン入口燃焼ガス温度、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度のそれぞれを示す温度分布線図。
【図３】燃焼用分岐空気供給系を備えている場合のガスタービン入口燃焼ガス温度、燃焼器入口空気温度、ガスタービン排気（排ガス）温度のそれぞれを示す温度分布線図。
【図４】本発明によるガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】本発明によるガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
１ 発電電動機
２ 圧縮機
３ ガスタービン
４ 排ガス
５ 圧縮空気
６ 高温燃焼用空気
７ 再生器
８ 燃焼用空気供給系
９ バイパス弁
１０ サイクロンセパレータ
１１ 燃焼用分岐空気供給系
１２ 燃焼ガス供給系
１３ 煙突
１４ 排ガス放出系
１５ 外気導入系
１６ 燃焼ガス用流量調整弁
１７ 燃焼ガス量調整系
１８ 温度センサ
１９ 燃焼器
２０ 燃料弁
２１ バイオマス流量調整弁
２２ 燃料供給系
２３ バイオマス供給系
２４ 空気
２５ 連絡管
２６ バイオマス
２７ 燃料タンク
２８ 搬送路
２９ 火炎検知センサ
３０ 空気供給系
３１ 調整弁
３２ 容器
３３ 不活性ガス供給系
３４ 制御器
３５ 発電機
３６ 燃焼装置
３７ サイクロンフィルタ
３８ 燃焼用空気
３９ サイロ
４０ 燃料供給装置
４１ 発電機電機子
４２ 永久磁石発電機ロータ
Claims (11)
- 化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系を有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にサイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないことを特徴とするガスタービンプラント。
- 化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系とを有するガスタービンにおいて、バイオマス燃料を燃焼させている時にガスタービン排ガス温度が２００℃を上回らないことを特徴とするガスタービンプラント。
- 化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系と、ガスタービンに接続した圧縮機から出た燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
- 化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後、ガスタービンに供給する燃焼ガス供給系と、前記ガスタービンの出口側に設けた排ガス放出系の中間部に接続する外気導入系と、前記排ガス放出系の外気導入系の上流に接続し、前記サイクロンセパレータから延びる燃焼ガス量調整系と、圧縮機からの燃焼用空気を前記燃焼器に供給する燃焼用空気供給系から分岐し、中間にバイパス弁を介装させて前記燃焼ガス供給系に接続する燃焼用分岐空気供給系とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
- 燃料タンクに投入したバイオマスを燃焼器に供給する搬送路と、この搬送路に設けた火炎検知センサと、前記搬送路に接続され、不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、この不活性ガス供給系に設けた調整弁に前記火炎検知センサからの信号に基づいて演算された弁開閉信号を与える制御器とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
- バイオマスを燃料として使用し、そのバイオマスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された燃焼ガスに含まれる不純物を除去するサイクロンフィルタと、このサイクロンフィルタで不純物を除去した燃焼ガスに膨張仕事をさせて動力を発生させるガスタービンと、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する圧縮機と、前記ガスタービンから発生する動力で駆動される発電機と、前記ガスタービン、前記圧縮機、前記発電機を軸結合させるとともに、前記発電機に電気的に接続させたインバータとを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
- バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
- バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出することを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
- バイオマスを燃料とし、そのバイオマスを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を下回らないように、圧縮機からの圧縮空気を前記燃焼器に送る一部を前記燃焼ガスに加えるとともに、この間、負荷が予め定められていた負荷以上になったとき、前記温度センサを通る燃焼ガスの一部を燃焼ガス用流量調整弁を介して排ガス放出系に放出する一方、前記排ガス放出系に放出する前記燃焼ガスと前記ガスタービンから前記排ガス放出系に放出する排ガスとの混合ガスの温度が２００℃を上回らないように、前記排ガス放出系に備えた外気導入系からの空気にて低温化させることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
- バイオマス燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービンに供給する際、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回らないとき、前記燃焼器にバイオマス燃料のほかに化石燃料を同時に用いて混焼させることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
- 起動運転時、化石燃料を燃料とし、その燃料を燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをサイクロンセパレータで不純物を除去した後、ガスタービン供給して膨張仕事をさせるとともに、前記サイクロンセパレータの出口側に設けた温度センサを通る燃焼ガスが温度８００℃を上回ったとき、前記燃料をバイオマス燃料に切り替えることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
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|---|---|---|---|
| JP2003006910A JP2004218532A (ja) | 2003-01-15 | 2003-01-15 | ガスタービンプラントおよびその運転方法 |
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| JP2004218532A true JP2004218532A (ja) | 2004-08-05 |
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| JP2003006910A Pending JP2004218532A (ja) | 2003-01-15 | 2003-01-15 | ガスタービンプラントおよびその運転方法 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006125255A (ja) * | 2004-10-27 | 2006-05-18 | Ebara Corp | ガスタービン装置およびガスタービン発電システム |
| JP2008014203A (ja) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | ガスタービンエンジン |
| WO2012175328A1 (de) * | 2011-06-20 | 2012-12-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Dampfturbinenanlage, umfassend eine dampfturbine und eine dreheinrichtung zum drehantrieb einer turbinenläuferwelle beim turbinenstart |
| US11623174B2 (en) * | 2018-11-27 | 2023-04-11 | Vortx Kleanair Systems | Temperature controlled exhaust steam water filter for coffee roasters |
-
2003
- 2003-01-15 JP JP2003006910A patent/JP2004218532A/ja active Pending
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