JP2005113897A - Gas turbine and its operating method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はガスタービンに関し、特に、燃料を予熱して燃焼器に供給することにより熱効率を図ったガスタービン及びガスタービンの運転方法に関する。 The present invention relates to a gas turbine, and more particularly, to a gas turbine that achieves thermal efficiency by preheating fuel and supplying it to a combustor, and a method for operating the gas turbine.
従来、燃焼器に投入する燃料を加熱することにより、ガスタービンの熱効率を向上させるとともに、有害排ガスの低減を図ることが提案されている。とくに、大気汚染防止並びに地球温暖化対策の観点から、ガスタービンの排気側に排熱回収蒸気発生器(HRSG)を配置して排熱エネルギーを回収し、燃料を加熱することにより、ガスタービンの熱効率を改善して低燃費化するとともに、低CO2、低NOXを達成する研究が活発化している。Conventionally, it has been proposed to improve the thermal efficiency of the gas turbine and reduce harmful exhaust gas by heating the fuel to be introduced into the combustor. In particular, from the viewpoint of air pollution prevention and countermeasures against global warming, an exhaust heat recovery steam generator (HRSG) is arranged on the exhaust side of the gas turbine to recover the exhaust heat energy and heat the fuel. Research to improve thermal efficiency and reduce fuel consumption, and to achieve low CO 2 and low NO X has become active.
米国特許第4932204号にはガスタービンの排気側に過熱器、蒸発器及びエコノマイザーからなるHRSGを設けるとともに、エコノマイザーに過剰の給水を流通させて加熱給水を生成し、この加熱給水を熱交換器に流通させて燃料を予熱することによりガスタービンの燃費を削減してガスタービンの熱効率を向上することが提案されている。 In US Pat. No. 4,932,204, an HRSG composed of a superheater, an evaporator and an economizer is provided on the exhaust side of the gas turbine, and an excessive water supply is circulated through the economizer to generate a heated water supply. It has been proposed to reduce the fuel efficiency of the gas turbine and improve the thermal efficiency of the gas turbine by circulating it through a vessel and preheating the fuel.
米国第5095693号には空気圧縮機の圧縮空気の一部をタービン冷却用空気として利用し、このタービン冷却用空気で燃料を予熱すると共に、ガスタービンの排気側にHRSGを設けて水蒸気を発生させて予熱燃料と水蒸気とを混合して燃焼器に供給することでガスタービンの熱効率を向上させると共にNOXを低減することが提案されている。In US Pat. No. 5,095,693, a part of the compressed air of the air compressor is used as turbine cooling air, the fuel is preheated with the turbine cooling air, and HRSG is provided on the exhaust side of the gas turbine to generate water vapor. reducing the NO X improves the thermal efficiency of the gas turbine has been proposed by a mixture of the preheated fuel and steam is supplied to the combustor Te.
米国特許第5357746号、米国特許第5826430号、米国特許第6065280号、米国特許第6269626号及び米国特許第6389797号にはガスタービンの排気側にHRSGを設けるとともに、HRSGで加熱給水または水蒸気を生成し、この加熱給水又は水蒸気を熱交換器に流通させて燃料を予熱することによりガスタービンの燃費を削減してガスタービンの熱効率を向上することが提案されている。 In US Pat. No. 5,357,746, US Pat. No. 5,826,430, US Pat. No. 6,065,280, US Pat. No. 6,269,626 and US Pat. No. 6,389,977, an HRSG is provided on the exhaust side of the gas turbine, and heated water or steam is generated by HRSG. In addition, it has been proposed to reduce the fuel efficiency of the gas turbine and improve the thermal efficiency of the gas turbine by circulating the heated feed water or steam through the heat exchanger to preheat the fuel.
米国特許第5617716号にはガスタービンの排気側にHRSGを設けるとともに、HRSGで水蒸気を生成し、この水蒸気を熱交換器に流通させて燃料を予熱した後、混合蒸発室にて前記水蒸気と液体燃料とを混合させてガスタービンのNOXを低減することが提案されている。In US Pat. No. 5,617,716, HRSG is provided on the exhaust side of the gas turbine, steam is generated by HRSG, the steam is circulated through a heat exchanger, and fuel is preheated. the fuel by mixing it is proposed to reduce the NO X gas turbine.
米国特許第5806298号にはガスタービンの排気側にHRSGを設けるとともに、HRSGで水蒸気を生成し、この水蒸気を熱交換器に流通させて燃料を気化することでガスタービンの熱効率を改善することが提案されている。 In US Pat. No. 5,806,298, an HRSG is provided on the exhaust side of the gas turbine, and steam is generated by the HRSG, and the steam is circulated through a heat exchanger to vaporize the fuel, thereby improving the thermal efficiency of the gas turbine. Proposed.
米国特許第5845481号には排気塔内に熱交換器を収納してこの中に液体燃料を流通させて燃料を加熱するようにした構造が提案されている。 US Pat. No. 5,845,481 proposes a structure in which a heat exchanger is housed in an exhaust tower and liquid fuel is circulated therein to heat the fuel.
米国第6253554号には空気圧縮機の圧縮空気の一部をタービン冷却用空気として利用し、このタービン冷却用空気で燃料を予熱することが提案されている。 US Pat. No. 6,253,554 proposes that a part of the compressed air of an air compressor is used as turbine cooling air and the fuel is preheated with the turbine cooling air.
しかしながら、米国特許第4932204号、米国第5095693号、米国特許第5357746号、米国特許第5826430号、米国特許第6065280号、米国特許第6269626号及び米国特許第6389797号のガスタービンにおいて、燃料を予熱又は気化するためのHRSGは構造が大型で多数の配管や関連バルブ部材から構成されているため、ガスタービンの全体構造が極めて複雑・大型化する。しかも、これら配管やバルブ類から大量の排熱エネルギーが外部に漏洩するため、排熱回収効率が著しく低下して、ガスタービンの熱効率を効果的に改善することが困難であった。 However, in the gas turbines of US Pat. No. 4,932,204, US Pat. No. 5,095,693, US Pat. No. 5,357,746, US Pat. No. 5,826,430, US Pat. No. 6,065,280, US Pat. No. 6,269,626 and US Pat. Alternatively, since the HRSG for vaporization has a large structure and is composed of a large number of pipes and related valve members, the entire structure of the gas turbine becomes extremely complicated and large. In addition, since a large amount of exhaust heat energy leaks to the outside from these pipes and valves, the exhaust heat recovery efficiency is remarkably lowered, and it is difficult to effectively improve the thermal efficiency of the gas turbine.
さらに、米国特許第5617716号にはガスタービンの燃焼器に対して液体燃料油を加熱気化して供給することでNOXの削減を図るようにしたガスタービンへの気化燃料供給方法が開示されている。このガスタービンでは、ガスタービンの排気側に配置された排熱回収器と、外部の蒸気発生源とを利用して気化室に蒸気を供給して液体燃料油を気化させているが、排熱回収器自体が極めて大型構造を有するとともに製造コストが著しく上昇する。しかも、燃料油気化用の外部の蒸気発生源をさらに採用しているため、ガスタービンは益々構造が複雑となり、製造コストが増加する。また、燃料油気化部は燃焼器から独立して配置されているため、気化部自体が大型化するとともに、該気化部から熱エネルギーが外部へ漏出することとなり、熱効率低下の要因ともなる。しかも、液体燃料ポンプと気化部との間にはさらに高温の潤滑油を利用した熱交換器と、高温のスチームを利用した熱交換器とが直列に接続されていて液体燃料油を予熱するための予熱器が配置されており、この予熱器は複雑な配管と関連のバルブ部材を必要とするため、ガスタービンの構造が益々複雑化して、更なるコストアップの要因となっていた。Further, U.S. Patent No. 5617716 discloses a fuel gas supply method of the gas turbine so as to achieve a reduction of the NO X by feeding heated vaporizing liquid fuel oil to a combustor of a gas turbine Yes. In this gas turbine, the liquid fuel oil is vaporized by supplying steam to the vaporization chamber using an exhaust heat recovery device disposed on the exhaust side of the gas turbine and an external steam generation source. The collector itself has a very large structure, and the manufacturing cost increases significantly. In addition, since an external steam generation source for vaporizing the fuel oil is further employed, the structure of the gas turbine becomes more and more complicated and the manufacturing cost increases. Moreover, since the fuel oil vaporization part is arrange | positioned independently from the combustor, while the vaporization part itself enlarges, a thermal energy leaks outside from this vaporization part, and it becomes a factor of thermal efficiency fall. Furthermore, between the liquid fuel pump and the vaporization section, a heat exchanger using a higher temperature lubricating oil and a heat exchanger using a higher temperature steam are connected in series to preheat the liquid fuel oil. Since this preheater requires complicated piping and a related valve member, the structure of the gas turbine becomes more complicated and causes further cost increase.
米国特許第5806298号のガスタービンにおいて、燃料を予熱又は気化するための排熱回収装置(HRSG)が採用されているが、前述のように、HRSGはガスタービンの全体構造が極めて複雑・大型化する。さらに、HRSGの多数の配管やバルブ類から大量の排熱エネルギーが外部に漏洩して排熱回収効率が著しく低下するため、ガスタービンの熱効率の改善効果が低い。しかも、このガスタービンにおいて、気化燃料は液体燃料と混合されるため、燃焼器に導入される燃料自体は充分に気化されず、一部、液体燃料が混入する。この液体燃料は燃焼器内で燃焼ガス中に局部的に約1600℃の高温部を形成してNOXが著しく増加する要因ともなっていた。In the gas turbine of US Pat. No. 5,806,298, an exhaust heat recovery device (HRSG) is used to preheat or vaporize the fuel. As described above, the overall structure of the gas turbine is extremely complicated and large. To do. Furthermore, since a large amount of exhaust heat energy leaks to the outside from a large number of pipes and valves of the HRSG, the exhaust heat recovery efficiency is remarkably reduced, so the effect of improving the thermal efficiency of the gas turbine is low. In addition, in this gas turbine, since the vaporized fuel is mixed with the liquid fuel, the fuel itself introduced into the combustor is not sufficiently vaporized, and the liquid fuel is partially mixed. This liquid fuel locally forms a high-temperature portion of about 1600 ° C. in the combustion gas in the combustor, and has been a factor that NO x increases remarkably.
米国特許第5845481号のガスタービンにおいても、前述のガスタービンと同じく、排気塔内に設置する熱交換器が複雑な配管構造を備えるため、ガスタービンの小型高性能化と熱効率の改善が困難となっていた。 In the gas turbine of US Pat. No. 5,845,481 as well as the gas turbine described above, the heat exchanger installed in the exhaust tower has a complicated piping structure, which makes it difficult to improve the size and performance of the gas turbine and improve the thermal efficiency. It was.
さらに、米国第6253554号のガスタービンでは、ガスタービンのコンプレッサ側に配置された熱交換器を利用して液体燃料油を加熱しているが、熱交換器自体が極めて大型構造を有するとともに製造コストが著しく上昇する。しかも、この熱交換器自体からも熱エネルギーが外部へ漏出することとなり、熱効率低下の要因となっていた。従って、コンパクト、低コストで、熱効率の高いガスタービンを実用化することは困難であった。 Further, in the gas turbine of US Pat. No. 6,253,554, the liquid fuel oil is heated using a heat exchanger disposed on the compressor side of the gas turbine. However, the heat exchanger itself has a very large structure and its manufacturing cost. Rises significantly. Moreover, heat energy leaks out from the heat exchanger itself, which causes a decrease in thermal efficiency. Therefore, it has been difficult to put into practical use a gas turbine that is compact, low-cost, and has high thermal efficiency.
そこで、本発明は、小型高性能、コンパクト、低コスト並びに高い熱効率を得て低燃費化を図ると共に、リーン燃焼を可能として低CO2,低NOXを実現可能なガスタービン及びガスタービンの運転方法を提供することを目的とする。Therefore, the present invention aims to reduce fuel consumption by obtaining a small size, high performance, compact size, low cost and high thermal efficiency, and also enables operation of lean turbine to realize low CO 2 and low NO X and operation of the gas turbine. It aims to provide a method.
請求項1記載の本発明は,ガスタービンが圧縮空気を供給する空気圧縮機と、蒸気混合動力ガスを生成する燃焼器と、前記蒸気混合動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記燃焼器に配置されて給水から飽和蒸気を生成する水蒸気発生部と、前記水蒸気発生部に連通していて前記燃焼器の壁部と熱交換して前記飽和蒸気から過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成部と、前記過熱蒸気生成部の下流側にて前記過熱蒸気生成部の外周に沿って配置されていて前記過熱蒸気と燃料を接触させて蒸気混合燃料ガスを生成する蒸気混合燃料ガス生成部と、前記燃焼器に配置されていて前記蒸気混合燃料ガスと前記圧縮空気とを燃焼させて前記蒸気混合動力ガスを生成するバーナーとを備えることを要旨とするものである。 The present invention according to claim 1 is an air compressor in which a gas turbine supplies compressed air, a combustor that generates steam mixed power gas, and a turbine that generates power on an output shaft by expanding the steam mixed power gas. And a steam generating unit disposed in the combustor for generating saturated steam from feed water, and communicating with the steam generating unit and exchanging heat with the wall of the combustor to generate superheated steam from the saturated steam. A superheated steam generator, and a steam mixed fuel gas that is disposed along the outer periphery of the superheated steam generator on the downstream side of the superheated steam generator and generates a steam mixed fuel gas by bringing the superheated steam and fuel into contact with each other The gist includes a generator and a burner disposed in the combustor and configured to burn the steam mixed fuel gas and the compressed air to generate the steam mixed power gas.
請求項1記載の本発明によれば、燃焼器本体の余剰熱を利用して飽和蒸気を発生させ、この飽和蒸気と燃焼器とを熱交換しながら過熱蒸気を生成し、次いで、過熱蒸気と燃料とを接触させて蒸気混合燃料ガスを生成することで、燃焼器内で蒸気混合燃料ガスと圧縮空気との均一な混合気を生成し、比較的低温で質量の大きな蒸気混合動力ガスを発生させたため、ガスタービンの熱効率を高めてガスタービンの熱効率の改善を図り、NOXの排出量を著しく低減すると共に低燃費化を実現可能とする。とくに、燃料としてLPG,LNG等の液化燃料或いは灯油、重油等の液体燃料を使用した場合は、これら液状燃料の完全ガス化が促進されるため、燃焼器でのガス化した燃料と空気との均一な混合気を生成させて完全燃焼を達成し、CO2,HC,COその他の有害ガスの排出を大幅に削減可能とする。さらに、コンプレッサ側やタービンの排気側への大型の熱交換器の設置を不要としたことで、構造がコンパクトで、小型高性能のガスタービンを実現可能とするものである。しかも、燃焼器は飽和蒸気と熱交換されるため、燃焼器の高温による溶損が防止され、燃焼器の寿命が著しく改善される。According to the present invention of claim 1, saturated steam is generated using surplus heat of the combustor body, and superheated steam is generated while exchanging heat between the saturated steam and the combustor. By generating vapor mixed fuel gas by contacting with fuel, a uniform mixture of vapor mixed fuel gas and compressed air is generated in the combustor, and steam mixed power gas with a large mass is generated at a relatively low temperature. As a result, the thermal efficiency of the gas turbine is improved to improve the thermal efficiency of the gas turbine, and the NO X emission amount is remarkably reduced and fuel consumption can be reduced. In particular, when a liquefied fuel such as LPG or LNG or a liquid fuel such as kerosene or heavy oil is used as the fuel, the complete gasification of these liquid fuels is promoted, so the gasified fuel and air in the combustor A uniform air-fuel mixture is generated to achieve complete combustion, and the emission of CO 2 , HC, CO and other harmful gases can be greatly reduced. Furthermore, by eliminating the need for installing a large heat exchanger on the compressor side or on the exhaust side of the turbine, a compact and high performance gas turbine can be realized. In addition, since the combustor is heat-exchanged with saturated steam, melting damage due to the high temperature of the combustor is prevented, and the life of the combustor is significantly improved.
請求項2記載の本発明は,請求項1記載の本発明において、水蒸気発生部が燃焼器の壁部に沿って配置されて飽和蒸気を生成する熱交換部と、給水弁を介して前記熱交換部に給水を噴射する給水ノズルとを備え、さらに、ガスタービンがガスタービンの運転パラメータを検出して起動信号、暖機運転信号及び通常運転信号を出力する運転パラメータ検出器と、各信号に応答して、ガスタービンの起動運転、暖機運転及び通常運転を制御するコントローラとを備え、コントローラが暖機運転終了後に給水弁を開弁することを要旨とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the water vapor generating section is disposed along the wall of the combustor to generate saturated steam, and the heat is supplied through a water supply valve. A water supply nozzle for injecting water into the replacement unit, and an operation parameter detector for detecting an operation parameter of the gas turbine and outputting a start signal, a warm-up operation signal, and a normal operation signal. In response, the controller includes a controller that controls the start-up operation, the warm-up operation, and the normal operation of the gas turbine, and the gist is that the controller opens the water supply valve after the warm-up operation ends.
請求項2記載の本発明によれば、ガスタービンの暖気運転終了後に給水弁を開弁して燃焼器の熱交換部に給水して水蒸気を発生させることで、ガスタービンの暖機運転終了前に燃焼室のバーナーへの水の流入を防いで安定した暖気運転を維持できるようにしたものである。さらに、燃焼器に熱交換部を配置したことで、従来必要としていた外部の大型の排熱回収蒸気発生装置(HRSG)を不要とし、ガスタービンの小型化、低コスト化を実現可能とする。 According to the second aspect of the present invention, before the gas turbine warm-up operation ends, the water supply valve is opened after the gas turbine warm-up operation is completed and water is supplied to the heat exchanger of the combustor to generate water vapor. In addition, it prevents water from flowing into the burner of the combustion chamber so that stable warm-up operation can be maintained. Furthermore, the arrangement of the heat exchanging unit in the combustor eliminates the need for an external large exhaust heat recovery steam generator (HRSG) that has been required in the past, and makes it possible to reduce the size and cost of the gas turbine.
請求項3記載の本発明は、請求項2記載のガスタービンであって、前記蒸気混合燃料ガス生成部が前記過熱蒸気生成部の外周側に配置された隔壁部と、前記過熱蒸気生成部の下流側に連通する燃料噴射部と、前記燃料噴射部に燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを備え、さらに、前記コントローラにより前記暖機運転終了後に前記燃料噴射ノズルに前記燃料を供給する制御弁を備えるものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the gas turbine according to the second aspect, wherein the steam-mixed fuel gas generating section is disposed on the outer peripheral side of the superheated steam generating section, and the superheated steam generating section A fuel injection unit communicating with the downstream side; a fuel injection nozzle for injecting fuel into the fuel injection unit; and a control valve for supplying the fuel to the fuel injection nozzle after completion of the warm-up operation by the controller It is to be prepared.
請求項3記載の本発明によれば、蒸気混合燃料ガス生成部の隔壁部が過熱蒸気生成部の外周側に配置されることで、燃料のコーキングを起こさせることなく、完全気化を達成させるようにしたものである。さらに、ガスタービンの暖機運転終了時に前記燃料噴射ノズルに前記燃料を供給する制御弁を設けることで、ガスタービンの誤作動を防止して長期に安定した動作を確保可能とする。 According to the third aspect of the present invention, the partition portion of the steam mixed fuel gas generating section is disposed on the outer peripheral side of the superheated steam generating section so that complete vaporization can be achieved without causing fuel coking. It is a thing. Further, by providing a control valve for supplying the fuel to the fuel injection nozzle at the end of the warm-up operation of the gas turbine, it is possible to prevent malfunction of the gas turbine and ensure stable operation for a long period.
請求項4記載の本発明は、請求項3記載のガスタービンであって、前記バーナーがパイロットバーナーとメインバーナーとを備え、さらに、前記コントローラにより前記暖機運転終了後に前記パイロットバーナーと前記メインバーナーとに前記蒸気混合燃料ガスを供給する第2制御弁を備えるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the gas turbine according to the third aspect, wherein the burner includes a pilot burner and a main burner, and the pilot burner and the main burner after the warm-up operation is finished by the controller. And a second control valve for supplying the vapor mixed fuel gas.
請求項4記載の発明によれば、ガスタービンの暖機運転終了後にメインバーナーのみでなく、パイロットバーナーにも蒸気混合燃料ガスを供給したため、パイロットバーナーとメインバーナー双方の低CO2及び低NOx化を実現可能としたものである。とくに、従来のガスタービンにおいてNOX排出量の大きな比率を占めていたパイロットバーナーのNOxを大幅に低減し、ガスタービン全体のNOX低減に著しい効果がある。According to the fourth aspect of the present invention, since the steam mixed fuel gas is supplied not only to the main burner but also to the pilot burner after the warm-up operation of the gas turbine is completed, both the pilot burner and the main burner have low CO 2 and low NOx. Is feasible. In particular, the conventional NOx pilot burners represent a significant proportion of the NO X emissions in a gas turbine greatly reduced, there is a significant effect in the NO X reduction of the entire gas turbine.
請求項5記載の本発明は、ガスタービンの運転方法であって:圧縮空気を供給する空気圧縮機と、蒸気混合動力ガスを生成する燃焼器と、前記蒸気混合動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記燃焼器のライナーに沿って形成された過熱蒸気生成部と、前記過熱蒸気生成部の外周側に配置された隔壁部に沿って形成された蒸気混合燃料ガス生成部とからなるガスタービンを準備する工程と;前記過熱蒸気生成部に水蒸気を導入して過熱蒸気を生成する工程と;前記蒸気混合燃料ガス生成部で前記過熱蒸気と燃料を混合して蒸気混合燃料ガスを生成する工程と;前記蒸気混合燃料ガスと前記圧縮空気とを前記燃焼器で燃焼させて前記蒸気混合動力ガスを生成する工程とを備えることを要旨とする。 The present invention according to claim 5 is a gas turbine operating method comprising: an air compressor that supplies compressed air; a combustor that generates steam mixed power gas; and an output shaft that expands the steam mixed power gas. A turbine for generating power, a superheated steam generator formed along a liner of the combustor, and a steam mixed fuel gas generated along a partition wall disposed on an outer peripheral side of the superheated steam generator A step of preparing a gas turbine comprising: a part; introducing a steam into the superheated steam generation part to generate superheated steam; and mixing the superheated steam and fuel in the steam mixed fuel gas generation part The present invention includes a step of generating a fuel gas; and a step of burning the vapor mixed fuel gas and the compressed air in the combustor to generate the vapor mixed power gas.
請求項5記載の本発明によれば、大型構造とコストアップの要因となる複雑な配管やバルブ類からなる大型の熱交換器を不要とし、コンパクトな構造において、コーキングを起こすことなく、燃焼器の余剰熱で燃料を加熱すると共に、過熱蒸気を生成して蒸気混合燃料ガスを生成して、低CO2,低NOXを達成可能なガスタービンの運転方法を提供するものである。According to the fifth aspect of the present invention, there is no need for a large-sized heat exchanger composed of complicated piping and valves that cause a large structure and cost increase, and in a compact structure, the combustor does not cause coking. In addition, the fuel is heated by the excess heat, and overheated steam is generated to generate steam mixed fuel gas, thereby providing a gas turbine operating method capable of achieving low CO 2 and low NO X.
請求項6記載の本発明は、請求項5において、さらに、前記燃焼器がパイロットバーナーと、メインバーナーとを備え、前記ガスタービンの暖機運転終了後に前記パイロットバーナーと前記メインバーナーとに前記蒸気混合燃料ガスを供給する工程とを備える。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the combustor further comprises a pilot burner and a main burner, and the steam is supplied to the pilot burner and the main burner after the warm-up operation of the gas turbine is completed. Supplying a mixed fuel gas.
請求項6記載の本発明によれば、メインバーナーのみでなく、パイロットバーナーにも蒸気混合燃料ガスを供給可能としたことで、メインバーバー及びパイロットバーナーのNOX排出の大幅な低減化を実現可能とすると共に、ガスタービンの著しい熱効率の改善を図ることを可能とする。According to the present invention of claim 6, not only the main burner, also the pilot burner that was capable of supplying the vapor fuel gas mixture can achieve significant reduction of the NO X emissions main Barber and pilot burner In addition, it is possible to significantly improve the thermal efficiency of the gas turbine.
本発明のガスタービン及びガスタービンの運転方法によれば、熱効率低下の原因となる、従来の複雑で大型の排熱回収蒸気発生器(HRSG)を用いることなく、しかも、コーキングを起こすことなく、燃焼器の余剰熱を利用して過熱蒸気を生成する一方、燃料を加熱して蒸気混合燃料ガスを生成して、燃焼室で蒸気混合燃料ガスと圧縮空気との均質な混合気の生成を具現化して低CO2化、低NOX化を図りながら、熱効率を高めて、低燃費化を実現できる小型高性能のガスタービンの実用化するものである。According to the gas turbine and the operation method of the gas turbine of the present invention, without using a conventional complicated and large exhaust heat recovery steam generator (HRSG) that causes a decrease in thermal efficiency, and without causing coking, Superheated steam is generated by using surplus heat of the combustor, while fuel is heated to generate steam mixed fuel gas, and a homogeneous mixture of steam mixed fuel gas and compressed air is generated in the combustion chamber This is a practical application of a small high-performance gas turbine that can realize low fuel consumption while improving thermal efficiency while reducing CO 2 and NO X.
以下、本発明のガスタービンの望ましい実施例につき図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the gas turbine of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1において、ガスタービン10は圧縮空気を供給する空気圧縮機12と、蒸気混合動力ガスを膨張して出力軸14aに動力を発生させることで発電機13等の負荷を駆動するタービン14と、空気圧縮機12とタービン14との間に配置されていて、圧縮空気と蒸気混合燃料ガスとの均一混合気を生成させてリーン燃焼を達成させて蒸気混合動力ガスを発生する燃焼器16とから構成される。本実施例において、タービン14は空気圧縮機12に直結されたパワータービンからなるものとして示されているが、タービン14をコンプレッサタービンとパワータービンとから構成して、コンプレッサタービンを空気圧縮機12に連結し、パワータービンを出力軸に連結する、所謂、2軸方式を採用しても良い。 In FIG. 1, a
燃焼器16は環状外筒18と、この中に同心的に配置された環状内筒20とから構成される。環状外筒18と環状内筒20の環状空間にはアウターライナー22とインナーライナー24が同心的に配置されて環状燃焼室26を構成する。環状燃焼室26には後部に沿って先細のテーパ壁26aが形成され、該テーパ壁26aの端部のさらに後方には環状燃焼室26の周方向に等間隔で延びる複数の動力ガス噴射ノズル26bが形成される。環状内筒20とインナーライナー24との間には環状中間壁部28が同心的に延びていて、環状空気通路30を形成している。アウターライナー22とインナーライナー24は環状フロントフランジ32,34を介してそれぞれ環状外筒18及び環状中間壁部28に支持される。 The
環状外筒18と環状中間壁部28の前縁には環状ヘッダー36が装着され、該環状ヘッダー36の周方向には等間隔で複数のバーナーホルダー38が装着される。環状ヘッダー36の外周縁近辺及び内周縁近辺にはそれぞれ周方向に等間隔で複数の開口部36a,36bが形成され、これら開口部36a,36bを介して空気圧縮機12から圧縮空気を燃焼器16内に導入する。このため、環状フロントフランジ32,34の前部と環状ヘッダー36との間には環状空気通路40,42が形成され、これらは前述の開口部36a,36bと連通する。環状中間壁部28の前部には周方向に等間隔で複数の連通口28aが形成されている。さらに、アウターライナー22とインナーライナー24の前縁には複数の空気導入用小孔が形成されていて、環状空気通路40,42の圧縮空気はこれら小孔を通じて環状燃焼室26内に導入される。 An
バーナーホルダー38はその中央部に支持されたパイロットバーナー44と、パイロットバーナー44に隣接して支持されたメインバーナー46とを備える。パイロットバーナー44はバーナーホルダー38に支持されたパイロット燃料ノズル48と、該パイロット燃料ノズル48と同心的となるようにバーナーホルダー38に支持された保炎用スリーブ50とから構成される。保炎用スリーブ50の前縁部には周方向に等間隔でパイロット空気通路50aが形成される。パイロット燃料ノズル48はバーナーホルダー38に支持されたパイロット燃料管52に連通し、パイロット燃料管52には燃料制御弁54,55を介してパイロット燃料が供給される。バーナーホルダー38にはメイン燃料分配路38aが形成されていて、メインバーナー46はバーナーホルダー38の周辺に等間隔で支持されてメイン燃料分配路38aと連通する複数のメイン燃料ノズル60を備える。メイン燃料分配路38aにはメイン燃料供給管62が連結され、メイン燃料供給管62には燃料制御弁56,57を介して、後述の如く、メイン燃料が供給される。ガスタービン10の暖気運転終了後に、後述の如く、パイロットバーナー44及びメインバーナー60に蒸気混合燃料ガスを供給するために、燃料制御弁54,55の接続点並びに燃料制御弁56,57の接続点に第1制御弁58が接続される。本実施例において、メインバーナー46はパイロットバーナー44の周囲に配置された複数のメイン燃料ノズル60からなるものとして示されているが、必要であれば、アウターライナー22及びインナーライナー24の前縁近辺に補助用メインバーナーをさらに追加しても良い。 The
図1,図2に示されるように、環状外筒18と環状内筒20の後端部にはリアプレート70が溶接その他の手段で固定され、リアプレート70から間隔を置いて環状仕切壁72が環状外筒18と環状内筒20に固定される。複数の動力ガス噴射ノズル26bの半径方向内側には環状チャンネル材74が環状仕切壁72に固着され、環状チャンネル材74の内側に環状蒸気通路76が形成される。環状外筒18と環状蒸気通路76との間で半径方向に延びる放射仕切壁78aに隣接して環状熱交換部78が配置され、環状熱交換部78は水蒸気発生部として機能する。水蒸気発生部78は放射仕切壁78aに隣接する給水ノズル80を有する給水噴射室82と、図2において、給水噴射室82から周方向に延びる環状熱交換通路84から構成される。給水ノズル80は給水制御弁81を介して冷水、温水又は熱湯を供給する給水源(図示せず)か、または、水蒸気発生源(図示せず)に接続される。 As shown in FIGS. 1 and 2, a
環状熱交換通路84には動力ガス噴射ノズル26bの中間に複数のバッフル板86が放射方向に配置され、各バッフル板86の半径方向内側端部はチャンネル材74の外周から所定間隔で離れた位置で終端して流路制限部86aをそれぞれ形成する。このため、給水ノズル80から噴射された噴霧水は環状熱交換通路84を通過する間に複数の流路制限部86aで高温の環状熱交換通路84を通過しながら、高温の動力ガス噴射ノズル26bの外壁と交互に熱交換して飽和蒸気が生成される。この飽和蒸気は蒸気回収室88で回収され、一部は第1蒸気通孔90を経てアウター環状通路92(図1参照)に噴出し、残部は連通孔94を介して環状蒸気通路76に流入する。 A plurality of
環状蒸気通路76に流入した飽和蒸気S1は第2蒸気通孔96を経てインナー環状通路98(図1参照)に噴出する。図1に示されるように、アウター環状通路92には放射フィン92a,92bが軸方向に交互に開口するように外径側のテーパ部26aから放射状に配置され、第1蒸気通孔90から流入した飽和蒸気は周方向に延びるアウター環状通路92を通過して燃焼室26の外径側のテーパ部26aを冷却しながら、環状エンドフランジ100の通孔100aに導入される。同様に、インナー環状通路98には内径側のテーパ部26aから放射フィン98a、98bが軸方向に交互に開口するように放射状に配置され、第2蒸気通孔96から流入した飽和蒸気は周方向に延びるインナー環状通路98を通過して内径側のテーパ部26aを冷却しながら、環状エンドフランジ102の通孔102aに導入される。このように、アウター環状通路92及びインナー環状通路98で飽和蒸気は外径側及び内径側のテーパ部26aと熱交換して昇温する。 The saturated steam S <b> 1 flowing into the
環状フロントフランジ32と環状エンドフランジ100との間には環状隔壁部103が燃焼器10の軸方向に延びていて、環状隔壁部103とアウターライナー22との間にはスパイラル状リブ104aにより形成されたスパイラル通路からなる過熱蒸気生成部104が形成され、その上流部(後部)は通孔100aに連通する。過熱蒸気生成部104の下流側(前部)には環状隔壁部103の複数の蒸気噴射口103aに隣接して燃料噴射部106が形成され、燃料噴射部106には外筒18に固定支持された燃料噴射ノズル108が開口する。 An
外筒18と環状隔壁部103との間にはスパイラル状リブ110aにより形成されたスパイラル通路からなる蒸気混合燃料ガス生成部110が形成され、蒸気混合燃料ガス生成部110の上流側及び下流側はそれぞれ、環状フロントフランジ32と環状エンドフランジ100とに隣接して配置される。燃料噴射ノズル108は第2制御弁112を介して燃料供給管114に連結される。蒸気混合燃料ガス生成部110の下流側には燃料出口ポート116が配置され、燃料出口ポート116は上述の第1制御弁58及び燃料制御弁55,57を介してそれぞれ、パイロット燃料供給管52及びメイン燃料供給管62に接続される。 Between the
図1において、さらに、環状フロントフランジ34と環状エンドフランジ102との間には環状蒸気通路101が形成され、環状エンドフランジ102の通孔102aから導入された飽和蒸気はインナーライナー24の余剰熱を回収して過熱蒸気となって、インナーライナー24に形成された複数の蒸気噴射ノズル24aを介して燃料室26へ噴射される。環状蒸気通路101何はスパイラルリブを形成して飽和蒸気がインナーライナー24と均一に熱交換するように構成しても良い。一方、アウターライナー22の余剰熱を回収した過熱蒸気は気化燃料と混合してバーナーから燃焼室26へ噴射され、さらに、インナーライナー24の余剰熱を回収して生じた過熱蒸気は燃焼室26に噴射することによって、ガスタービンの熱効率が効果的に改善される。 In FIG. 1, an
図1において、燃料供給管114に供給される燃料とは、重油、軽油、ガソリン、灯油、ジェット燃料、メタノール或いはエタノール等の液体炭化水素燃料やLNG、LPG等の液化炭化水素燃料又は天然ガス等のガス燃料を含む。 In FIG. 1, the fuel supplied to the
ガスタービン10は、さらに、起動運転、暖機運転及び通常運転を制御するコントローラ120を備える。コントローラ120はメインスイッチ(図示せず)の作動に応じたガスタービンのスタータモータ(図示せず)のON/OFF、第1、第2制御弁58,112のON/OFF,燃料制御弁54、55,56,57及び給水制御弁81の開度を制御するためのプログラムを実行するCPU、CPUの演算結果を一時記憶するRAM、CPUが実行する制御プログラムを格納するROM及び出力回路からなる周知のマイクロコンピュータ(図示せず)を主要部として構成される。 The
CPUには運転パラメータ検出器として機能する、排ガス温度センサー122,負荷センサー124及び軸速度センサー126から排ガス温度検出信号、負荷検出信号並びに軸速度信号等の運転パラメータ信号が入力される。軸速度信号は軸速度に関連するパラメータであれば、出力軸14aの回転数或いは発電機13の出力周波数を検出してその出力信号を軸速度信号として利用しても良い。コントローラ120は起動運転、暖機運転及び通常運転であるか否かを判断するための温度マップを格納していて、排ガス温度検出信号に応答して、タービン14の排出ガスの温度が、所定温度(例えば650〜680℃)に相当する閾値と比較され、排ガス温度検出信号が閾値以上となったときに暖機運転終了信号を出力する。負荷センサー124は例えば、発電機13の出力電力を検出する電力検知センサーから構成され、検出された出力電力からガスタービン10の負荷状態を判別するために用いられる。これに対応して、コントローラ120はガスタービン10の軽負荷、中負荷及び高負荷に対応した負荷状態判別マップを格納していて、検出された出力電力(ガスタービンの負荷)に応じて、燃料制御弁54、55,56,57の開度及び給水制御弁81の開度を制御して、燃焼室26に供給される燃料と給水量をガスタービンの負荷に対応して流量調整する。 The CPU receives operation parameter signals such as an exhaust gas temperature detection signal, a load detection signal, and an axial speed signal from the exhaust
次に、ガスタービン10の作用につき図1、図2を参照して説明する。ガスタービン10の起動時にはコントローラ120の指令により、起動モードが選択される。起動モードにおいて、起動モータ(図示せず)が起動されて空気圧縮機12が起動される。起動時には、コントローラ120により第1,第2制御弁58,112が遮断され、燃料制御弁54,55のみが開放される。このとき、燃料はパイロット燃料ノズル48から燃焼室26内に噴射され、保炎用スリーブ50から供給される圧縮空気と混合された後、点火プラグ(図示せず)によりパイロットバーナー44が着火される。次いで、フレームセンサ(図示せず)でパイロットバーナー44の着火を検出して、コントローラ120が燃料制御弁56,57を開放する。このとき、メイン燃料ノズル60から燃焼室26内にメイン燃料が噴射され、環状ヘッダー36の開口部36a、36bからアウターライナー22及びインナーライナー24の前縁から導入された圧縮空気と混合されて混合気が生成され、パイロット−バーナー44から着火される。この結果、ガスタービン10が起動されて暖機運転モードに入る。ガスタービン10の暖機運転時に、コントローラ120に内蔵したタイマーによってカウントされた所定時間経過後、あるいは排ガス温度センサー122の出力信号(すなわち、運転パラメータ)が所定温度に達したことを、コントローラ120が判断して、暖機運転終了信号が出力される。この暖機運転終了信号に応答して、給水制御弁81が開放され、給水制御弁81の開放から所定時間経過後に、コントローラ120から第2制御弁112が開放される。このとき、給水ノズル80から供給された噴霧水は環状熱交換通路84(図2参照)を通過する間に燃焼器16の余剰熱で飽和蒸気とされ、この飽和蒸気は蒸気回収室88(図2参照)で回収される。次に、飽和蒸気は第1,第2蒸気通孔90,96(図2参照)を介してアウター環状通路92,インナー環状通路98に流入し、次いで、環状エンドフランジ100,102の通孔100a、102aを介してそれぞれ、過熱蒸気生成部104,環状蒸気通路101に導入されてアウターライナー22,インナーライナー24の余剰熱を回収して過熱蒸気となる。環状蒸気通路101の過熱蒸気は蒸気噴射ノズル24aを介して燃焼室26内に噴射される。一方、給水制御弁81の開放後の所定時間経過後に、コントローラ120から開放された第2制御弁112を通じて、燃料噴射ノズル108から燃料が燃料噴射部106に噴射される。この燃料は環状隔壁部103の蒸気噴射口103aから噴出する過熱蒸気と混合される。このようにして生成された蒸気混合燃料ガスはスパイラル通路からなる蒸気混合燃料ガス生成部110を通過しながらさらに均一に混合されながら、燃料出口ポート116に達する。コントローラ120によって、第2制御弁112が開放されて所定時間経過後に、コントローラ120によって、第1制御弁58が開放され、これと同期して、燃料制御弁54,56は遮断される。このとき、燃料制御弁55,57は引き続き開放状態に維持されているため、パイロットバーナー44及びメインバーナー46には蒸気混合燃料ガスが供給され、燃焼室26で圧縮空気との均一な混合気が生成されて燃焼されて蒸気混合動力ガスが生成されてタービンで膨張される。 Next, the operation of the
以上より明らかなように、本実施例では燃焼器の余剰熱を有効に回収しながら過熱蒸気を生成して、過熱蒸気により蒸気混合燃料ガスを生成したため、大型の排熱回収器(HRSG)を不要として、小型高性能、低コスト、長寿命並びに高熱効率で、しかも、低CO2,低NOXのガスタービンを実現可能とする。As is clear from the above, in this embodiment, the superheated steam is generated while effectively recovering the surplus heat of the combustor, and the steam mixed fuel gas is generated by the superheated steam. Therefore, a large exhaust heat recovery device (HRSG) is installed. As unnecessary, it is possible to realize a gas turbine having a small size, high performance, low cost, long life, high thermal efficiency, and low CO 2 and low NO x .
さらに、本実施例では蒸気混合燃料ガス生成部が過熱蒸気生成部の外周側に設けた、比較的低温の隔壁部から構成されたため、燃料が高温にさらされることはなく、コーキング(炭化)を起こすことがない。しかも、燃焼器のライナーの余剰熱は飽和蒸気によって効率的に回収されているため、燃焼器の溶損や劣化を防止でき、燃焼器の大幅な長寿命化を達成でき、メンテ保守を簡略化できる。 Furthermore, in the present embodiment, the steam mixed fuel gas generating section is composed of a relatively low temperature partition provided on the outer peripheral side of the superheated steam generating section, so that the fuel is not exposed to high temperature and coking (carbonization) is performed. There is no waking. In addition, the surplus heat of the combustor liner is efficiently recovered by saturated steam, so that the combustor can be prevented from being damaged or deteriorated, the life of the combustor can be significantly extended, and maintenance is simplified. it can.
また、本実施例では、液状燃料を完全にガス化することも可能なため、燃焼室でリーンサイドでの均質な混合気を生成して、約1000℃〜1200℃での完全燃焼を実現化でき、省燃費と大幅なCO2,NOX,の削減も可能となる。しかも、燃焼室には過熱蒸気を含むガス化燃料が導入されるので、より一層のNOXの低減が図れる。Further, in this embodiment, liquid fuel can be completely gasified, so that a homogeneous mixture on the lean side is generated in the combustion chamber, and complete combustion at about 1000 ° C. to 1200 ° C. is realized. It is also possible to save fuel and greatly reduce CO 2 and NO x . Moreover, since the gasification fuel containing superheated steam is introduced into the combustion chamber, it can be reduced more further NO X.
また、本実施例では燃焼室のインナーライナーで過熱蒸気を生成して、これを燃焼室に噴射しているため、蒸気混合動力ガスの質量が増大され、ガスタービンの性能が飛躍的に改善される。例えば、動力ガス総流量に占める過熱蒸気の混合率が10%、20%でタービン出力がそれぞれ、150%、220%に著しく増大する。 Further, in this embodiment, the superheated steam is generated by the inner liner of the combustion chamber and injected into the combustion chamber, so that the mass of the steam mixed power gas is increased and the performance of the gas turbine is dramatically improved. The For example, when the mixing ratio of superheated steam in the total power gas flow rate is 10% and 20%, the turbine output is remarkably increased to 150% and 220%, respectively.
本実施例では燃焼器16はアニュラー構造のものとして例示されているが、カン型またはカン・アニュラー型構造にしても良い。 In this embodiment, the
以上のように、本発明によれば、高熱効率で低燃費であり、しかも、排ガスがクリーンで、構造がコンパクトで低コストの小型高性能のガスタービンを実現化可能とする。よって、かかるガスタービンは航空機、陸上車両用駆動源として、また、産業用や家庭用の発電機として、その適用範囲は広範なものが期待される。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a small high-performance gas turbine having high thermal efficiency and low fuel consumption, clean exhaust gas, compact structure, and low cost. Therefore, such a gas turbine is expected to have a wide range of applications as a drive source for aircraft and land vehicles, and as a generator for industrial use and home use.
12 空気圧縮機
14 タービン
16 燃焼器
18 外筒
20 内筒
22 アウターライナー
24 インナーライナー
24a 蒸気噴射ノズル
16 燃焼器
26 燃焼室
36 環状ヘッダー
38 バーナーホルダー
40,42 環状空気通路
44 パイロットバーナー
46 メインバーナー
54,55,56,57 燃料制御弁
58 第1制御弁
78 水蒸気発生部
92,98 環状通路
101 環状蒸気通路
103 環状気化壁部
103a 蒸気噴射口
104 過熱蒸気生成部
106 燃料噴射部
110 蒸気混合燃料ガス生成部
112 第2制御弁
114 燃料供給管
120 コントローラ
122 排ガス温度センサー
124 負荷センサー
126 軸速度センサー12
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