JP2005048640A - Gas turbine system - Google Patents

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Hidekazu Harada
英一 原田
Seiji Yamashita
誠二 山下
Masaaki Saga
正明 佐香
Keiichi Komai
啓一 駒井
Ikuo Nagashima
郁男 永島
Shinji Shiisaki
伸二 椎▲さき▼
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas turbine system allowing the use of oxygen containing gas difficult to compress, as turbine combustion gas. <P>SOLUTION: The gas turbine system using first fuel gas F1 containing oxygen has a gas turbine 1 consisting of a compressor 11, a combustor 12 and a turbine 13. It comprises a reactor 24 using exhaust gas G from the turbine 13 as a heat source for partially oxidizing the first fuel gas F1 with a catalyst to reduce the concentration of oxygen to a combustible range or lower and a fuel gas compressor 4 for increasing the pressure of second fuel gas F2 passing through the reactor 24 and supplying it to the combustor 12. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭層ガスのような酸素含有燃料ガスを、重油などの液体燃料に代わるガスタービン用燃料として使用して運転することができるガスタービンシステムに関する。   The present invention relates to a gas turbine system that can be operated using an oxygen-containing fuel gas such as coal bed gas as a fuel for a gas turbine that replaces a liquid fuel such as heavy oil.

石炭の採掘現場から発生するメタンを主成分とする炭層ガス(Coal Mine Gas:CMG)のような酸素含有燃料ガスは、とりわけ安価でかつ大量に入手できる新たな燃料として注目されはじめている。   Oxygen-containing fuel gas such as coal seam gas (Coal Mine Gas: CMG) generated mainly from coal mining sites is beginning to attract attention as a new fuel that is particularly inexpensive and available in large quantities.

この炭層ガスは、石炭の採掘現場においては、安全管理上、回収されているものの、これまでその大部分は有効に活用されることなく、そのまま大気中へ排出されている。炭層ガスが大気中に大量に排出されると、環境への悪影響が大きいことから、その有効活用が探求されている。その有効活用の一環として、特にガスタービンシステムで燃料としての使用が検討されている。   Although this coal seam gas has been recovered at the coal mining site for safety management, most of it has been discharged into the atmosphere without being effectively utilized. When coal seam gas is discharged in large quantities into the atmosphere, the environmental impact is great, and its effective use is being sought. As part of its effective utilization, use as a fuel is being studied especially in gas turbine systems.

なお、炭層ガスの有効活用の一例として、炭層ガスを改質して炭層ガス中のメタン濃度を低下させる方法が知られている(例えば特許文献1参照)。しかしながら、この方法では、改質用に使用する二酸化炭素を供給する装置が必要になるため、システムが大型で複雑になる。
特開2002−363578号公報
In addition, as an example of effective utilization of the coal bed gas, a method of reducing the methane concentration in the coal bed gas by modifying the coal bed gas is known (see, for example, Patent Document 1). However, this method requires a device for supplying carbon dioxide to be used for reforming, so that the system becomes large and complicated.
JP 2002-363578 A

上記炭層ガスをガスタービン燃料として使用する場合、圧縮によりガス性状がガス中の酸素とメタンの可燃範囲に入るため、圧縮が困難で、ガスタービンの燃料ガスとして使用するのが難しかった。そこで、燃焼を回避するため、前記ガス中の酸素を低減する方法として、部分酸化によりメタンと反応させる方法は知られていたが、その予熱のための熱や反応により発生する熱の損失があるため、熱効率が低下するという問題があった。   When the coal bed gas is used as a gas turbine fuel, the gas properties enter the combustible range of oxygen and methane in the gas due to compression, so that compression is difficult and difficult to use as fuel gas for the gas turbine. Thus, in order to avoid combustion, as a method of reducing oxygen in the gas, a method of reacting with methane by partial oxidation has been known, but there is a loss of heat for preheating and heat generated by the reaction. Therefore, there has been a problem that the thermal efficiency is lowered.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、炭層ガスのような燃料ガス中の酸素濃度を効率よく低下させて、ガスタービンの燃料として使用可能にしたガスタービンシステムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas turbine system that can be efficiently used as fuel for a gas turbine by efficiently reducing the oxygen concentration in a fuel gas such as coal bed gas. And

本発明は、圧縮機、燃焼器およびタービンからなるガスタービンを備え、酸素を含有する第1燃料ガスを使用するガスタービンシステムであって、前記タービンからの排ガスを熱源として前記第1燃料ガスを触媒によって部分酸化することにより酸素濃度を可燃範囲以下に低減させる反応器と、前記反応器を経た第2燃料ガスを昇圧して前記燃焼器に供給する燃料ガス圧縮機とを備えている。第1燃料ガスは、例えば、炭層ガス(CMG)である。   The present invention is a gas turbine system that includes a gas turbine including a compressor, a combustor, and a turbine, and that uses a first fuel gas containing oxygen, the exhaust gas from the turbine as a heat source, and the first fuel gas is used as a heat source. A reactor that reduces the oxygen concentration below the flammable range by partial oxidation with a catalyst; and a fuel gas compressor that boosts the second fuel gas that has passed through the reactor and supplies the second fuel gas to the combustor. The first fuel gas is, for example, coal bed gas (CMG).

この構成によれば、酸素を含有する第1燃料ガスの酸素濃度を可燃範囲以下に低減させてからガスタービンの燃焼器に供給して駆動用燃料として使用できるようになる。つまり、これまで前記酸素を含有する第1燃料ガスをそのまま、燃料ガス圧縮機で圧縮してガスタービンの燃料として使用しようとすると、前記酸素濃度が高いために、圧縮による昇温で爆発するおそれがあり、使用が困難であったが、酸素濃度を可燃範囲以下に低減させてから燃料ガス圧縮機に供給するようにしたので、そのようなおそれなく、使用できる。したがって、例えば、これまで、ガスタービンの燃料として有望視されながらも、多くは大気中に排出されてきた炭層ガスを有効活用でき、環境汚染対策上からも好ましい。   According to this configuration, the oxygen concentration of the first fuel gas containing oxygen is reduced below the flammable range, and then supplied to the combustor of the gas turbine so that it can be used as a driving fuel. That is, if the first fuel gas containing oxygen is compressed as it is with a fuel gas compressor and used as a fuel for a gas turbine, the oxygen concentration is high, and there is a risk of explosion due to a temperature rise due to compression. However, since it was supplied to the fuel gas compressor after the oxygen concentration was reduced below the flammable range, it could be used without such a fear. Therefore, for example, while being considered promising as a fuel for gas turbines, coal seam gas that has been discharged into the atmosphere can be effectively used, which is preferable from the viewpoint of environmental pollution countermeasures.

本発明の好ましい実施形態では、さらに、タービンからの排ガスを冷媒として前記反応器を出た第2燃料ガスを冷却する冷却器を備えている。この構成によれば、タービンからの排ガスは、反応器を経た第2燃料ガスに比べ、低温であるので、この排ガスを利用して第2燃料ガス間の熱交換によって前記第2燃料ガスを効率的に冷却できる。これにより、前記反応器を出た第2燃料ガスの温度が低くなり、燃料ガス圧縮機に供給されるまでに発熱反応によるエネルギー損失を発生するのが抑制される。   In a preferred embodiment of the present invention, there is further provided a cooler that cools the second fuel gas exiting the reactor using exhaust gas from the turbine as a refrigerant. According to this configuration, since the exhaust gas from the turbine is at a lower temperature than the second fuel gas that has passed through the reactor, the second fuel gas is efficiently used by heat exchange between the second fuel gases using the exhaust gas. Can be cooled. As a result, the temperature of the second fuel gas exiting the reactor is lowered, and the generation of energy loss due to the exothermic reaction before being supplied to the fuel gas compressor is suppressed.

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記ガスタービンの起動時に、前記第1燃料ガスを燃焼させて前記反応器に熱源として供給する起動用燃焼器を備えている。この構成によれば、起動時に起動用燃焼器からの燃焼ガスによって反応器を予熱して触媒反応温度にまで予熱できるから、ガスタービンシステムが円滑に起動される。しかも、ガスタービンの燃料となる第1燃料ガスを予熱用にも使用するので、別途液体燃料のような予熱用燃料を用意する必要がない。   In a preferred embodiment of the present invention, a startup combustor is further provided that burns the first fuel gas and supplies it to the reactor as a heat source when the gas turbine is started. According to this configuration, since the reactor can be preheated to the catalytic reaction temperature by the combustion gas from the start-up combustor at the time of start-up, the gas turbine system is started up smoothly. In addition, since the first fuel gas used as the fuel for the gas turbine is also used for preheating, it is not necessary to separately prepare a preheating fuel such as a liquid fuel.

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記燃料ガス圧縮機により昇圧された第2燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、ガスタービンの起動時に第2燃料ガスの濃度に基づいて前記圧力調整器を制御し、第2燃料ガスの圧力を可燃範囲以下にする圧力制御手段を備えている。この構成によれば、ガスタービンの起動時に反応器が未だ十分作動しない状態であっても、第2燃料ガスがガスタービンの圧縮機に供給されるまでの間、第2燃料ガスの圧力が常時、可燃範囲以下になるように制御されるので、ガス爆発を防止できる。   In a preferred embodiment of the present invention, the pressure regulator further adjusts the pressure of the second fuel gas boosted by the fuel gas compressor, and the pressure adjustment based on the concentration of the second fuel gas when starting the gas turbine. And a pressure control means for controlling the vessel so that the pressure of the second fuel gas is below the combustible range. According to this configuration, the pressure of the second fuel gas is constantly maintained until the second fuel gas is supplied to the compressor of the gas turbine even when the reactor is not yet fully activated when the gas turbine is started. Because it is controlled to be below the flammable range, gas explosion can be prevented.

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記第1燃料ガスと第2燃料ガスとの間で熱交換して第1燃料ガスを昇温する熱交換器を備えている。この構成によれば、反応器前の第1燃料ガスを予熱できるので、反応器におけるガスタービン排ガスによる予熱量を低減できる。他方、熱交換器により第2燃料ガスは低温化されるので、発熱反応による第2燃料ガスのエネルギー損失が抑制される。   In a preferred embodiment of the present invention, a heat exchanger that further heats the first fuel gas by exchanging heat between the first fuel gas and the second fuel gas is provided. According to this structure, since the 1st fuel gas before a reactor can be preheated, the amount of preheating by the gas turbine exhaust gas in a reactor can be reduced. On the other hand, since the second fuel gas is lowered in temperature by the heat exchanger, energy loss of the second fuel gas due to the exothermic reaction is suppressed.

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記排気の通路における反応器の下流側に、排気を熱源として蒸気を生成する排熱ボイラを備えている。この構成によれば、反応器の発生熱が排熱ボイラで回収されて、有効利用される。   In a preferred embodiment of the present invention, an exhaust heat boiler that generates steam using the exhaust as a heat source is further provided on the downstream side of the reactor in the exhaust passage. According to this configuration, the heat generated in the reactor is recovered by the exhaust heat boiler and effectively used.

本発明のガスタービンシステムによれば、これまで酸素を多く含むことで圧縮が難しく、ガスタービンの燃料としての使用が困難であった酸素を含有する燃料ガスが、その酸素濃度を可燃範囲以下に低減することで、ガスタービン用燃料として使用可能になった。これにより、例えば、これまで有効に活用されることなく、その多くが大気中へ放散されてきた炭層ガスの有効活用を実現できるとともに、環境汚染の問題も解決される。しかも、反応器の熱源としてタービン排ガスが使用されるから、熱効率も向上する。   According to the gas turbine system of the present invention, the fuel gas containing oxygen, which has been difficult to compress by containing a large amount of oxygen so far and difficult to use as fuel for the gas turbine, has an oxygen concentration below the flammable range. By reducing, it became possible to use as fuel for gas turbines. Thereby, for example, the effective use of the coal seam gas, many of which has been diffused into the atmosphere, can be realized without being effectively used so far, and the problem of environmental pollution can be solved. Moreover, since the turbine exhaust gas is used as a heat source for the reactor, the thermal efficiency is also improved.

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図1は、本発明のガスタービンシステムの実施形態を示す系統図であって、同装置は、ガスタービン1と、これに付設した排熱回収装置2と、これらの間を接続する配管C1〜C5とを備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a gas turbine system of the present invention. The apparatus includes a gas turbine 1, an exhaust heat recovery device 2 attached thereto, and pipes C <b> 1 to C <b> 1 connecting these components. C5.

前記ガスタービン1は、圧縮機11と燃焼器12とタービン13とを有し、その回転軸15に負荷である発電機14が連結されている。なお、前記圧縮機1には、必要に応じて可変静翼11Aが設けられている。   The gas turbine 1 includes a compressor 11, a combustor 12, and a turbine 13, and a generator 14 as a load is connected to a rotating shaft 15 thereof. The compressor 1 is provided with a variable stator blade 11A as necessary.

酸素を含有する炭層ガスのような第1燃料ガスF1は、排熱回収装置2を通ったのち、ガスタービン1に燃料として供給される。すなわち、前記排熱回収装置2はタービン13からの排ガスGの通路を形成しており、この通路の上流部には、タービン13からの排ガスGが保有する熱によって暖められる予熱器22が設けられており、ガスタービンの運転時、この予熱器22内を第1燃料ガスF1が配管C1を通って送り込まれ、第1燃料ガスF1が予熱される。   The first fuel gas F1 such as a coal bed gas containing oxygen passes through the exhaust heat recovery device 2 and then is supplied to the gas turbine 1 as fuel. That is, the exhaust heat recovery device 2 forms a passage for the exhaust gas G from the turbine 13, and a preheater 22 that is heated by the heat held by the exhaust gas G from the turbine 13 is provided in the upstream portion of this passage. During the operation of the gas turbine, the first fuel gas F1 is fed into the preheater 22 through the pipe C1, and the first fuel gas F1 is preheated.

排熱回収装置2における前記予熱器22よりも下流側には、内部にパラジウム触媒(Pd)、ニッケル触媒(Ni)、白金触媒(Pt)またはロジウム触媒(Rh)を保持した反応器24が設けられている。この反応器24の設置位置は、触媒反応に適した部位に設置するが、例えば触媒がパラジウム触媒(Pd)の場合には、触媒反応上、排ガス温度300℃以上となる部位が好ましく、触媒がニッケル触媒(Ni)の場合には、排ガス温度400℃以上となる部位が好ましい。   A reactor 24 holding a palladium catalyst (Pd), a nickel catalyst (Ni), a platinum catalyst (Pt) or a rhodium catalyst (Rh) inside is provided downstream of the preheater 22 in the exhaust heat recovery apparatus 2. It has been. This reactor 24 is installed at a site suitable for the catalytic reaction. For example, when the catalyst is a palladium catalyst (Pd), the site where the exhaust gas temperature is 300 ° C. or higher is preferable for the catalytic reaction. In the case of a nickel catalyst (Ni), a portion where the exhaust gas temperature is 400 ° C. or higher is preferable.

前記予熱器22と反応器24との間は、配管C3で接続され、前記予熱器22で一定温度に予熱された第1燃料ガスF1は、配管C3を通って予熱器22から前記反応器24に送り込まれ、この反応器24を通過する過程で、前記触媒による部分酸化反応によって、酸素濃度が、後述する燃料ガス圧縮機4による昇圧後の可燃範囲以下に低減されるようになっている。この反応器24での反応後のガス温度は約600℃である。   The preheater 22 and the reactor 24 are connected by a pipe C3, and the first fuel gas F1 preheated to a constant temperature by the preheater 22 passes through the pipe C3 from the preheater 22 to the reactor 24. In the process of passing through the reactor 24, the oxygen concentration is reduced below the flammable range after being boosted by the fuel gas compressor 4 described later by the partial oxidation reaction by the catalyst. The gas temperature after the reaction in the reactor 24 is about 600 ° C.

前記反応器24での触媒反応後のガス温度が使用材料の規定最大温度以上になるおそれがある場合は、前記反応器24の出口に、冷却部24aを設ける。なお、冷却部24aの出口のガス温度は温度センサ63で常時計測されている。この冷却部24aを設けることで、前記反応器24で酸素濃度を可燃範囲以下に低減された高温の酸素含有ガスである第2燃料ガスF2が、排ガスGとの熱交換によって冷却される。この冷却により、前記反応後の第2燃料ガスの温度は約350℃にまで低下する。反応冷却部24aを出た第2燃料ガスF2は、配管C4を経由して冷却器26により反応熱が回収されて冷却される。   When there is a possibility that the gas temperature after the catalytic reaction in the reactor 24 becomes higher than the specified maximum temperature of the material used, a cooling unit 24 a is provided at the outlet of the reactor 24. The gas temperature at the outlet of the cooling unit 24a is constantly measured by the temperature sensor 63. By providing the cooling unit 24a, the second fuel gas F2 that is a high-temperature oxygen-containing gas whose oxygen concentration is reduced to the combustible range or less in the reactor 24 is cooled by heat exchange with the exhaust gas G. By this cooling, the temperature of the second fuel gas after the reaction is lowered to about 350 ° C. The second fuel gas F2 exiting the reaction cooling unit 24a is cooled by the reaction heat recovered by the cooler 26 via the pipe C4.

冷却器26を出た第2燃料ガスF2は、配管C5を通ってガスタービン1の燃焼器12に供給される。この配管C5の途中には、熱交換器3が設けられており、常温の第1燃料ガスF1と高温の反応後ガスである第2燃料ガスF2との間で熱交換が行われ、前記第2燃料ガスF2の冷却と第1燃料ガスF1の予熱が同時に行われる。   The second fuel gas F2 exiting the cooler 26 is supplied to the combustor 12 of the gas turbine 1 through the pipe C5. In the middle of the pipe C5, a heat exchanger 3 is provided, and heat exchange is performed between the first fuel gas F1 at normal temperature and the second fuel gas F2 which is a high-temperature post-reaction gas, and the first The cooling of the second fuel gas F2 and the preheating of the first fuel gas F1 are performed simultaneously.

さらに、前記熱交換器3とガスタービン1の燃焼器12との間には、配管C5により送り込まれる前記第2燃料ガスを昇圧して前記燃焼器12に供給するモータ駆動の燃料ガス圧縮機4が設けられ、この燃料ガス圧縮機4の下流側には、空気冷却器41が設けられている。この空気冷却器41により、燃料ガス圧縮機4により昇圧された第2燃料ガスF2の温度上昇を抑制している。   Further, between the heat exchanger 3 and the combustor 12 of the gas turbine 1, a motor-driven fuel gas compressor 4 that boosts the second fuel gas fed through a pipe C <b> 5 and supplies the second fuel gas to the combustor 12. An air cooler 41 is provided on the downstream side of the fuel gas compressor 4. By this air cooler 41, the temperature rise of the second fuel gas F2 boosted by the fuel gas compressor 4 is suppressed.

また、燃料ガス圧縮機4および空気冷却器41に対して並列に第2燃料ガス2の圧力を調整する圧力制御弁6Aが設けられ、空気冷却器41の下流側には、第2燃料ガスF2中の酸素濃度を測定する酸素濃度センサ61と放散弁6Bが接続されている。これら圧力制御弁6Aおよび放散弁6Bにより圧力調整器6が形成されている。前記酸素濃度センサ61が、反応後の第2燃料ガスF2中の酸素残存量を測定して、測定結果をコントローラ5の圧力制御手段5Aに入力し、この測定結果に応じた圧力制御手段5Aからの指令により、前記圧力制御弁6Aの調整と放散弁6Bの開閉を行うようになっている。   A pressure control valve 6A for adjusting the pressure of the second fuel gas 2 is provided in parallel with the fuel gas compressor 4 and the air cooler 41, and the second fuel gas F2 is provided downstream of the air cooler 41. An oxygen concentration sensor 61 for measuring the oxygen concentration therein and a diffusion valve 6B are connected. A pressure regulator 6 is formed by the pressure control valve 6A and the diffusion valve 6B. The oxygen concentration sensor 61 measures the oxygen remaining amount in the second fuel gas F2 after the reaction, and inputs the measurement result to the pressure control means 5A of the controller 5, from the pressure control means 5A corresponding to the measurement result. The pressure control valve 6A is adjusted and the diffusion valve 6B is opened and closed by the command.

また、放散弁6Bとガスタービン1の燃焼器12との間には、遮断弁7および燃料調整弁8が設けられており、必要に応じて燃焼器12への第2燃料ガスの供給を停止したり、あるいはその供給量を調整できるようになっている。配管C5における遮断弁7と燃料調整弁8の間にはフィルタ9が設けられている。   Further, a shutoff valve 7 and a fuel adjustment valve 8 are provided between the diffusion valve 6B and the combustor 12 of the gas turbine 1, and the supply of the second fuel gas to the combustor 12 is stopped as necessary. Or the supply amount can be adjusted. A filter 9 is provided between the shutoff valve 7 and the fuel adjustment valve 8 in the pipe C5.

また、ガスタービン起動前には、タービン13からの排ガスGで反応器24を予熱できないため、排熱回収装置2における予熱器22の上流側に、反応器予熱用のガス排出器21を設けている。配管C1から分岐した配管C2に起動用燃焼器31を接続し、フィルタ10を経た空気Aと前記配管C2からの第1燃焼ガスF1とを混合したものを起動用燃焼器31で燃焼させ、得られた燃焼ガスG1が、配管C6を経てガス排出器21に送り込まれるようになっている。なお、この起動用燃焼器31は、蒸気需要が増加した場合には、後述する排熱ボイラ20の追焚き装置としても使用される。   In addition, since the reactor 24 cannot be preheated with the exhaust gas G from the turbine 13 before the gas turbine is started, a reactor preheating gas discharger 21 is provided upstream of the preheater 22 in the exhaust heat recovery device 2. Yes. The start-up combustor 31 is connected to the line C2 branched from the line C1, and the starter combustor 31 burns a mixture of the air A that has passed through the filter 10 and the first combustion gas F1 from the line C2. The produced combustion gas G1 is sent to the gas discharger 21 via the pipe C6. The start-up combustor 31 is also used as a reheating device for the exhaust heat boiler 20 described later when the steam demand increases.

前記ガスタービンシステムにおける蒸気生成系統は、つぎのような構成となっている。給水タンク50から揚水された水は配管C7を経て排熱ボイラ20の上流で給水加熱器51により加熱され、脱気器52に入る。排熱ボイラ20の前段部20aで発生した蒸気は復水ドラム53を経て、脱気器52に入って水の加熱に使用され、脱気器52には、排熱ボイラ20の前段部20aの復水ドラム53で発生した蒸気が送り込まれ、液体分が脱気器52から配管C8によりエコノマイザ27を経て排熱ボイラ20の後段20bの復水ドラム54に入り込む。   The steam generation system in the gas turbine system has the following configuration. The water pumped up from the feed water tank 50 is heated by the feed water heater 51 upstream of the exhaust heat boiler 20 through the pipe C7 and enters the deaerator 52. The steam generated in the front stage 20a of the exhaust heat boiler 20 passes through the condensing drum 53, enters the deaerator 52, and is used for heating the water. The deaerator 52 includes the front stage part 20a of the exhaust heat boiler 20. Steam generated in the condensing drum 53 is sent, and the liquid component enters the condensing drum 54 of the rear stage 20b of the exhaust heat boiler 20 through the economizer 27 from the deaerator 52 through the pipe C8.

復水ドラム54からの蒸気は、必要に応じてその一部が前記脱気器52に戻され、他の一部は配管C9により、ガスタービン1の出力および熱効率向上を目的として燃焼器12に注入される。さらに他の一部は、配管C10を通って、排熱回収装置2における予熱器22と反応器24の間に設置された過熱器28で加熱して蒸気タービン55用に、または暖房用の温水56として利用するようにしている。なお、図示しないが、前記復水ドラム53、54中のチューブに、反応器24を出た高温の第2燃料ガスF2を流すことで、第2燃料ガスF2と復水ドラム53、54中の復水との熱交換による追加の蒸気発生も可能である。   A part of the steam from the condensing drum 54 is returned to the deaerator 52 as necessary, and the other part is supplied to the combustor 12 by the pipe C9 for the purpose of improving the output and thermal efficiency of the gas turbine 1. Injected. Furthermore, another part is heated by the superheater 28 installed between the preheater 22 and the reactor 24 in the exhaust heat recovery apparatus 2 through the pipe C10, and used for the steam turbine 55 or heating hot water. 56 is used. Although not shown, the second fuel gas F2 and the condensate drums 53 and 54 in the condensate drums 53 and 54 are flowed through the tubes in the condensate drums 53 and 54 by flowing the high-temperature second fuel gas F2 exiting the reactor 24. Additional steam generation by heat exchange with condensate is also possible.

こうして、タービン13から排出される排ガスGは、排熱回収装置2内で第2燃料ガスF2や排ガスボイラ20の水および蒸気と熱交換され、熱エネルギーが回収されて低温となったのちに、煙突57から大気中へ放出される。   Thus, after the exhaust gas G discharged from the turbine 13 is heat-exchanged with the water and steam of the second fuel gas F2 and the exhaust gas boiler 20 in the exhaust heat recovery device 2, and the thermal energy is recovered and becomes low temperature, Released from the chimney 57 into the atmosphere.

つぎに、前記構成によるガスタービンシステムの動作について説明する。まず、起動時の動作例1として、リヒート起動方式について説明する。配管C2からの第1燃料ガスF1を起動用燃焼器31にて燃焼して高温ガスG1を発生させ、これをガス排出器21から排出して反応器24を事前加熱する。反応器24の事前加熱を図示しないセンサで確認した後、コントローラ5の圧力制御手段5Aの作動により、圧力調整器6の圧力制御弁6Aを全開とし、燃料ガス圧縮機4を起動する。また、圧力調整器6の放散弁6Bは全開とする。放散弁6Bは圧縮機定格容量の5〜20%程度とし、この複数容量は配管内のガス置換時間より決定する。酸素濃度センサ61にて残存酸素量を計測し、酸素残存量が圧縮可能な下限である、例えば4%以下となった後、酸素残存量が4%以下であることを確認しながら、圧力制御弁6Aの設定値を順次定格値まで上昇させる。その後、前記放散弁6Bを全閉する。   Next, the operation of the gas turbine system configured as described above will be described. First, a reheat activation method will be described as an operation example 1 at the time of activation. The first fuel gas F1 from the pipe C2 is burned in the start-up combustor 31 to generate a high-temperature gas G1, which is discharged from the gas discharger 21 to preheat the reactor 24. After confirming the preheating of the reactor 24 with a sensor (not shown), the pressure control valve 6A of the pressure regulator 6 is fully opened by the operation of the pressure control means 5A of the controller 5, and the fuel gas compressor 4 is started. The diffusion valve 6B of the pressure regulator 6 is fully opened. The diffusion valve 6B is about 5 to 20% of the rated capacity of the compressor, and the plural capacity is determined from the gas replacement time in the pipe. The remaining oxygen amount is measured by the oxygen concentration sensor 61, and the pressure control is performed while confirming that the remaining oxygen amount is 4% or less after the remaining oxygen amount is a compressible lower limit, for example, 4% or less. The set value of the valve 6A is sequentially increased to the rated value. Thereafter, the diffusion valve 6B is fully closed.

続いて、図示しないスタータでガスタービン1を起動し、排ガスGの温度が反応器24の触媒反応温度以上となった後、起動用燃焼器31を停止し、定格運転に入る。このように、ガスタービン1の起動時に反応器24が未だ十分作動しない状態であっても、第2燃料ガスF2がガスタービン1の圧縮機11に供給されるまでの間、第2燃料ガスF2の圧力が常時、燃料ガス圧縮機4による昇圧後の可燃範囲以下になるように制御されるので、ガス爆発を防止できる。また、起動時に起動用燃焼器31からの燃焼ガスG1によって反応器24を予熱して触媒反応温度にまで予熱できるから、ガスタービンシステムが円滑に起動される。しかも、ガスタービン1の燃料となる第1燃料ガスF1を予熱用にも使用するので、別途液体燃料のような予熱用燃料を用意する必要がない。   Subsequently, the gas turbine 1 is started with a starter (not shown), and after the temperature of the exhaust gas G becomes equal to or higher than the catalytic reaction temperature of the reactor 24, the start-up combustor 31 is stopped and the rated operation is started. As described above, even when the reactor 24 is not yet sufficiently operated when the gas turbine 1 is started up, the second fuel gas F2 is supplied until the second fuel gas F2 is supplied to the compressor 11 of the gas turbine 1. Is always controlled to be equal to or lower than the combustible range after the pressure is increased by the fuel gas compressor 4, so that gas explosion can be prevented. In addition, since the reactor 24 can be preheated to the catalytic reaction temperature by the combustion gas G1 from the startup combustor 31 at startup, the gas turbine system is smoothly started. In addition, since the first fuel gas F1 used as the fuel for the gas turbine 1 is also used for preheating, it is not necessary to prepare a preheating fuel such as a liquid fuel separately.

つぎに、起動時の動作例2について説明する。この動作例2は、起動用燃焼器31を使用しないで、ガスタービン1の燃焼器12に軽油のような液体燃料を供給して起動する。排ガスGの温度が反応器24の触媒反応温度以上になった後、圧力調整器6の圧力制御弁6Aを全開とし、燃料ガス圧縮機4を起動する。また、圧力調整器6の放散弁6Bは全開とする。放散弁6Bは燃料ガス圧縮機4の定格容量の5〜20%程度とし、この容量は配管内のガス置換時間より決定する。続いて、酸素濃度センサ61にて残存酸素量を計測し、酸素残存量が4%以下になった後、酸素残存量が4%以下であることを確認しながら圧力制御弁1Aの設定値を順次定格値まで上昇させる。その後、前記放散弁6Bを全閉し、液体燃料から第1燃料ガスF1に切り替えて定格運転する。   Next, an operation example 2 at startup will be described. In this operation example 2, the start-up combustor 31 is not used, and the start-up is performed by supplying liquid fuel such as light oil to the combustor 12 of the gas turbine 1. After the temperature of the exhaust gas G becomes equal to or higher than the catalyst reaction temperature of the reactor 24, the pressure control valve 6A of the pressure regulator 6 is fully opened, and the fuel gas compressor 4 is started. The diffusion valve 6B of the pressure regulator 6 is fully opened. The diffusion valve 6B is about 5 to 20% of the rated capacity of the fuel gas compressor 4, and this capacity is determined from the gas replacement time in the pipe. Subsequently, the remaining oxygen amount is measured by the oxygen concentration sensor 61, and after the remaining oxygen amount becomes 4% or less, the set value of the pressure control valve 1A is set while confirming that the remaining oxygen amount is 4% or less. Sequentially increase to the rated value. Thereafter, the diffusion valve 6B is fully closed, and the rated operation is performed by switching from the liquid fuel to the first fuel gas F1.

前記起動方式のいずれの場合においても、起動時には、供給燃料圧力を第1燃料ガスF1に含まれるメタン(CH4)と酸素の可燃範囲以下とした状態でガスタービン1を起動する。ガスタービン1の燃焼器12の圧力は前記供給燃料圧力にて燃料を投入できるように徐々に上昇させる。起動時に燃焼器12の圧力、つまり圧縮機11の出口圧力を徐々に上昇させるための減圧方法としては、ガスタービン1の回転数を徐々に上げるか、または圧縮機11入口の可変静翼11Aを絞る方法がある。さらに、圧縮機11の中断に設けた逃がし弁11Bにより圧縮空気を外部に逃がすことによって減圧する方法もある。ガスタービン1の起動後、排ガスGの温度が上昇し、反応器24によって酸素の除去が可能になれば、燃焼器12の圧力を徐々に上昇させる。これに伴い、燃料ガス圧縮機4の供給圧力も上昇させる。このように制御することにより、燃料ガス圧縮機4は起動時の低圧用と定常運転時の高圧用の2台を備える必要がなく、1台で足り、ガスタービンシステムの構成が単純化され、かつコストダウンが図れる。   In any of the above startup methods, at the time of startup, the gas turbine 1 is started in a state where the supply fuel pressure is set to be equal to or lower than the flammable range of methane (CH4) and oxygen contained in the first fuel gas F1. The pressure of the combustor 12 of the gas turbine 1 is gradually increased so that fuel can be introduced at the supplied fuel pressure. As a pressure reducing method for gradually increasing the pressure of the combustor 12, that is, the outlet pressure of the compressor 11, at the time of startup, the rotational speed of the gas turbine 1 is gradually increased, or the variable stationary blade 11A at the inlet of the compressor 11 is used. There is a way to squeeze. Furthermore, there is also a method of reducing the pressure by letting compressed air escape to the outside by a relief valve 11B provided in the interruption of the compressor 11. When the temperature of the exhaust gas G rises after the gas turbine 1 is started and oxygen can be removed by the reactor 24, the pressure of the combustor 12 is gradually increased. Along with this, the supply pressure of the fuel gas compressor 4 is also increased. By controlling in this way, it is not necessary for the fuel gas compressor 4 to have two units for low pressure at start-up and for high pressure at steady operation, and one unit is sufficient, and the configuration of the gas turbine system is simplified. In addition, the cost can be reduced.

定格運転に入ると、第1燃料ガスF1は、配管C1を通って予熱器22で予熱されたのち、反応器24で部分酸化され、第1燃料ガスF1中の酸素濃度が、燃料ガス圧縮機4による昇圧後の可燃範囲以下に低減される。ここで、反応器24は排ガスGを熱源とするから、他の熱源を必要としないので、ガスタービンシステム全体の熱効率が向上する。反応器24の冷却部24aを出た第2燃料ガスF2は冷却器26により、排ガスGを冷媒として冷却される。タービンからの排ガスは、反応器を経た第2燃料ガスに比べ、低温であるので、この排ガスを利用して第2燃料ガス間の熱交換によって前記第2燃料ガスを効率的に冷却できる。これにより、反応器24を出た第2燃料ガスF2の温度が低くなり、燃焼器12に供給されるまでに発熱反応によるエネルギー損失が発生するのが抑制される。その結果、第2燃料ガスF2のエネルギーが後段の排熱回収装置2で蒸気として回収され、有効に活用される。   When the rated operation is started, the first fuel gas F1 is preheated by the preheater 22 through the pipe C1, and then partially oxidized by the reactor 24, and the oxygen concentration in the first fuel gas F1 is changed to the fuel gas compressor. 4 is reduced below the flammable range after pressure increase. Here, since the reactor 24 uses the exhaust gas G as a heat source, no other heat source is required, so that the thermal efficiency of the entire gas turbine system is improved. The second fuel gas F2 exiting the cooling unit 24a of the reactor 24 is cooled by the cooler 26 using the exhaust gas G as a refrigerant. Since the exhaust gas from the turbine is at a lower temperature than the second fuel gas that has passed through the reactor, the second fuel gas can be efficiently cooled by heat exchange between the second fuel gases using this exhaust gas. As a result, the temperature of the second fuel gas F <b> 2 exiting the reactor 24 is lowered, and the occurrence of energy loss due to the exothermic reaction before being supplied to the combustor 12 is suppressed. As a result, the energy of the second fuel gas F2 is recovered as steam by the exhaust heat recovery device 2 at the subsequent stage and is effectively utilized.

冷却器26を出た第2燃料ガスF2は配管C5を通って燃焼器12に供給される。その際、熱交換器3において、低温の第1燃料ガスF1と熱交換されることで、第1燃料ガスF1は昇温するので、反応器24での予熱負担が軽減される。一方、第2燃料ガスF2は第1燃料ガスF1との熱交換によって低温化されるので、発熱反応による第2燃料ガスF2のエネルギー損失が一層抑制される。また、排熱回収装置2内の排ガス通路における反応器24の下流側に設けた排熱ボイラ20により、反応器24からの発生熱が有効に回収される。   The second fuel gas F2 exiting the cooler 26 is supplied to the combustor 12 through the pipe C5. At that time, in the heat exchanger 3, the first fuel gas F1 is heated by heat exchange with the low temperature first fuel gas F1, so that the preheating burden in the reactor 24 is reduced. On the other hand, since the second fuel gas F2 is lowered in temperature by heat exchange with the first fuel gas F1, the energy loss of the second fuel gas F2 due to the exothermic reaction is further suppressed. Further, the heat generated from the reactor 24 is effectively recovered by the exhaust heat boiler 20 provided on the downstream side of the reactor 24 in the exhaust gas passage in the exhaust heat recovery apparatus 2.

定格運転時の第1燃料ガスF1と第2燃料ガスF2の組成を図2に示す。酸素除去反応平衡計算結果(メタン=40%)において、ケース1,2はそれぞれ、酸素残存量が4%および0%になるまで反応させた場合を示している。ケース1,2ではメタン(CH4)が酸素と反応することで、メタン量は反応前の第1燃料ガスF1から目減りするものの、水素および一酸化炭素が大幅に増加しており、ガス体積比やガス総発熱量比から推察して、ガスタービン用燃料として安定して使用できることが明らかである。
本発明のガスタービンシステムを備えた施設を石炭採掘現場近くに建設するか、石炭採掘現場から回収される炭層ガスをパイプラインで遠隔地にあるガスタービンシステムを備えた施設に継続的に供給することで、石炭採掘現場からの炭層ガスを第1燃料ガスとして、有効活用することができる。
The compositions of the first fuel gas F1 and the second fuel gas F2 during the rated operation are shown in FIG. In the oxygen removal reaction equilibrium calculation result (methane = 40%), cases 1 and 2 indicate cases where the reaction is performed until the oxygen residual amount reaches 4% and 0%, respectively. In cases 1 and 2, methane (CH4) reacts with oxygen, so the amount of methane is reduced from the first fuel gas F1 before the reaction, but hydrogen and carbon monoxide are greatly increased. Inferring from the total gas calorific value ratio, it is clear that it can be stably used as a gas turbine fuel.
The facility equipped with the gas turbine system of the present invention is constructed near the coal mining site, or the coal seam gas recovered from the coal mining site is continuously supplied to the facility equipped with the gas turbine system located in a remote place through a pipeline. Thus, the coal bed gas from the coal mining site can be effectively used as the first fuel gas.

本発明のガスタービンシステムの実施形態を示す系統図である。It is a distribution diagram showing an embodiment of a gas turbine system of the present invention. 本発明による第1燃料ガスの組成の一例を示す図表である。It is a chart which shows an example of the composition of the 1st fuel gas by the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガスタービン
2 排熱回収装置
3 熱交換器
4 燃料ガス圧縮機
5A 圧力制御手段
6 圧力調整器
11 圧縮機
12 燃焼器
13 タービン
20 排熱ボイラ
24 反応器
26 冷却器
31 起動用燃焼器
F1 第1燃料ガス
F2 第2燃料ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine 2 Waste heat recovery apparatus 3 Heat exchanger 4 Fuel gas compressor 5A Pressure control means 6 Pressure regulator 11 Compressor 12 Combustor 13 Turbine 20 Waste heat boiler 24 Reactor 26 Cooler 31 Startup combustor F1 1st 1 fuel gas F2 2nd fuel gas

Claims (6)

圧縮機、燃焼器およびタービンからなるガスタービンを備え、酸素を含有する第1燃料ガスを使用するガスタービン装置であって、
前記タービンからの排ガスを熱源として前記第1燃料ガスを触媒によって部分酸化することにより酸素濃度を可燃範囲以下に低減させる反応器と、
前記反応器を経た第2燃料ガスを昇圧して前記燃焼器に供給する燃料ガス圧縮機とを備えたガスタービンシステム。
A gas turbine device including a gas turbine including a compressor, a combustor, and a turbine, and using a first fuel gas containing oxygen,
A reactor that reduces the oxygen concentration below the flammable range by partially oxidizing the first fuel gas with a catalyst using the exhaust gas from the turbine as a heat source;
A gas turbine system comprising: a fuel gas compressor that pressurizes the second fuel gas that has passed through the reactor and supplies the second fuel gas to the combustor.
請求項1において、さらに、前記排ガスを冷媒として前記反応器を出た第2燃料ガスを冷却する冷却器を備えたガスタービンシステム。   2. The gas turbine system according to claim 1, further comprising a cooler configured to cool the second fuel gas exiting the reactor using the exhaust gas as a refrigerant. 請求項1または2において、さらに、前記ガスタービンの起動時に、前記第1燃料ガスを燃焼させて前記反応器に熱源として供給する起動用燃焼器を備えたガスタービンシステム。   3. The gas turbine system according to claim 1, further comprising an activation combustor that combusts the first fuel gas and supplies the first fuel gas as a heat source when the gas turbine is activated. 請求項1から3のいずれかにおいて、さらに、前記燃料ガス圧縮機により昇圧された第2燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、ガスタービンの起動時に、第2燃料ガスの濃度に基づいて前記圧力調整器を制御し、第2燃料ガスの圧力を可燃範囲以下にする圧力制御手段を備えたガスタービンシステム。   4. The method according to claim 1, further comprising: a pressure regulator that adjusts a pressure of the second fuel gas boosted by the fuel gas compressor; and a concentration of the second fuel gas when the gas turbine is started. A gas turbine system comprising pressure control means for controlling the pressure regulator so as to make the pressure of the second fuel gas below the combustible range. 請求項1から4のいずれかにおいて、さらに、前記第1燃料ガスと第2燃料ガスとの間で熱交換して第1燃料ガスを昇温する熱交換器を備えたガスタービンシステム。   5. The gas turbine system according to claim 1, further comprising a heat exchanger that raises the temperature of the first fuel gas by exchanging heat between the first fuel gas and the second fuel gas. 6. 請求項1から5のいずれかにおいて、さらに、前記排気の通路における反応器の下流側に、排気を熱源として蒸気を生成する排熱ボイラを備えたガスタービンシステム。
6. The gas turbine system according to claim 1, further comprising an exhaust heat boiler that generates steam by using exhaust as a heat source on a downstream side of the reactor in the exhaust passage.
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