JP2006511751A - シングルシャフトガスタービンにおける触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステム。 - Google Patents

Abstract

シングルシャフトガスタービン（１０）における触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムであって、所定のパラメータのセットに基づいて前記ガスタービン（１０）の運転の数学的モデルを構築するための少なくとも１つの計算ユニットを備え、これにより、前記エミッションを約−２９°Ｃから＋４９°Ｃまでの外部環境条件の範囲にわたりタービンの運転条件の変動中に最適化することができる。計算ユニット（６０）が動作するパラメータは、周囲温度（６３）及び調整ベーン（ＩＧＶ）（１４）の回転の関数としての抽気システム（ＩＢＨ）の流量の調整値を含む。

Description

本発明は、シングルシャフトガスタービンにおける触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムに関する。

ガスタービンは、燃焼プロセスにより直接得られるガスを利用し且つ動力を回転シャフト上に供給する、ガスのエンタルピーを有用な仕事に変える回転式熱機械組立体として定義される。

従って、タービンは通常、燃焼室及びタービン（ターボエキスパンダ）の外側に最も一般的には軸流型の圧縮機を備え、シングルシャフトガスタービンにおいて圧縮機を作動させるエネルギーとユーザーに対する動力の両方を供給する。

ターボエキスパンダ、圧縮機、燃焼室、機械エネルギー出力シャフト、制御システム及び始動システムが、ガスタービンの主要部分を形成する。

ガスタービンの運転に関しては、流体が低圧低温で圧縮機に流れ込み、該圧縮機を通って流れる際にガスは圧縮されてガスの温度が上昇する。

次いで、ガスは燃焼室に入り、そこで更に著しい温度上昇を生じる。従って、ガスのエンタルピーは、有用な仕事を得るのに利用することができ、これは、ガスによってタービンに放出される仕事が、圧縮機によって吸収される仕事よりも大きいためであり、従って、ある一定量のエネルギーは、機械の軸上で利用可能な状態を保ち、該エネルギーは、補機及び可動機械部材の受動抵抗によって吸収される仕事を差し引いた後、システムの有用な仕事となる。

従って、燃焼室の出口において、高圧高温のガスは、適切なパイプを通ってタービンに達し、該タービンでガスは圧縮機内及び燃焼室内に蓄積されたエネルギーの一部を放出し、次いで排出管を通って外部に流れる。

この数十年において、環境汚染の問題により、大気への汚染物質のエミッションを規制するように立案された様々な規制法が導入されてきており、大気環境を許容範囲にする試みがなされている。

その結果として、国内及び国際標準は、ガス内に存在する汚染物質を低減するための方法及び装置を用いるよう要求しており、これらの方法及び装置は、ガスの化学的及び物理的特性に従って適切に設計されている。

一般に、ガスタービンのエミッションは、完全に酸化されたか、又は反応する傾向がない様々な化学種、主としてＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２及びＯ_２を含み、或いは、ＣＯ、未燃炭化水素、及びＮＯｘ及びＳＯｘでそれぞれ表される窒素及び硫黄酸化物の混合物のような低レベルの酸化物を有する化学種が、エミッション内に汚染物質として百万分率（ｐｐｍ）のオーダの密度で存在する。

完全に酸化された化学種及び窒素に関して、エミッションにおけるこれらの含有量は、使用される燃料の組成及び機械の動作条件が既知の場合に計算することができる。

しかしながら、他の汚染物質に関しては、硫黄酸化物総量の場合を除いて、これらの濃度を測定することは事実上不可能である。

従って、これらの汚染物質（ＣＯ、未燃炭化水素、パーティキュレート、ＳＯｘ及びＮＯｘ）の値を求めるためには、正確に測定し理論的分析を行うことが必要である。

未燃炭化水素は一般に、存在する可燃性化学種を完全には酸化しない非効率的な燃焼の結果として存在するが、これらの存在は、数ｐｐｍに限定され、従って、有意な汚染問題を構成するものではない。

硫黄酸化物に関しては、これらは、種々の割合のＳＯ_２及びＳＯ_３の混合物からなり、水蒸気と結合してこれに応じた酸を形成する。

硫黄酸化物は、天然ガスを燃焼させることによって発生する燃焼フュームが実質的に存在せず、一般にその生成は、燃料を選択し、硫黄含有量が極めて低いものを選ぶことによって防止される。

窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）では、その状況ははるかに複雑であり、これらの物質を制御するためには、ガス燃焼温度に対して特別な注意を払わなければならない。

例えば、窒素酸化物（一般にＮＯｘと呼ばれる）の場合には、エミッションおける窒素酸化物の存在は、燃焼温度が低下するにつれて急速に減少する。水及び蒸気噴射などの、これらの汚染物質を低減するための従来の技術では、多くの分野で施行されている規制法が要求している極めて低いエミッションレベルを達成することはできない。

ＮＯｘは、燃焼プロセス中に３つの主要な方法で生成される。すなわち、
＊高温で酸素と燃焼したＮ_２の反応によるもの
＊燃料中に存在する窒素によるもの
＊Ｎ_２をＮＯに転化するような燃料のラジカル誘導体の反応によるもの
生成メカニズムは、ＮＯｘエミッションを効率的に制御可能にするために既知でなければならない。ＮＯｘ生成の最も簡単で最も広範に使用されるモデルは、Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈによって発見されたものであり、これは以下の化学反応を利用する。

Ｎ_２＋Ｏ→ ＮＯ＋Ｎ
Ｏ_２＋Ｎ→ ＮＯ＋Ｏ
ＯＨ＋Ｎ→ ＮＯ＋Ｈ
これらの化学反応は、該化学反応に利用される燃焼形式には依存せず、これは、反応物自体が生じる高温でこれらの反応が行われるためである。

ＮＯｘの生成は、燃焼プロセス中の作動条件を変更することによって制御することができる。例えば、存在する酸素量は、ＮＯｘの生成を最小限にするように低減することができる。実際面では、少量の空気が使用され、水を炉内に取り入れることにより、水の潜熱によって生じるエネルギージャンプの結果として温度が低下する。

現在使用される還元技術は選択式触媒還元法（ＳＣＲ）であり、ここでは、触媒プロセスと共にアンモニアが使用される。アンモニアは、接触反応床内に燃焼したガスと共に噴射される。窒素酸化物ＮＯｘは、触媒の表面上でアンモニアと結合され、水及び窒素内に溶解される。

このシステムは、ＮＯｘを除去するのに有利であることが分かっているが、これはコスト高である。

窒素酸化物低減に対する別の手法は、プラチナ触媒と炭酸カリウムからなる窒素酸化物除去剤とを用いた触媒燃焼後プロセスを利用する。

前述の技法の両方は、達成される窒素酸化物濃度の低減の観点から有効性が実証されるが、これらがタービン内で発生させる有意な効率損失に起因して、ほとんど実用性がない。

更に、現在まで使用された技法の全ては、作動条件、特に周囲温度及び必要な負荷の変動に対して非常に敏感である。
特表２００２−５２５４９０号公報

触媒燃焼室による燃焼は、汚染物質（ＮＯｘ及びＣＯ）低減に対する上述の解決策に特有のコスト及び複雑さに関する問題を解決する。

本発明の目的は、触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムを提供することであり、該システムにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素などの汚染物質の濃度をガスタービンの広範な運転範囲にわたってゼロｐｐｍに近い数値にまで低減することが可能になる。本発明の別の重要な目的は、得られる利点に鑑みて比較的安価な生産及びメンテナンスコストで実施することができる、ガスタービンの触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムを提供することである。

本発明のこれら及び他の目的は、触媒燃焼器と、所定のパラメータのセットに基づいて前記ガスタービンの運転の数学的モデルを構築するための少なくとも１つの計算ユニットとを備える形式のガスタービンのエミッションを制御し最適化するためのシステムであって、これにより、請求項１に記載したように、前述のエミッションを外部環境条件の広範な範囲にわたるタービンの運転条件の変動中に最適化することができるシステムを提供することによって達成される。

更に詳細な技術的特性は、後続の請求項に明記されている。

具体的には、本発明による制御システムは、負荷変動時に予燃焼器内の火焔温度及び許容される限界値を充分に超える窒素酸化物などの汚染物質の結果として生じる濃度の急激な上昇が存在する現象の発生率を抑制することが可能になる。

本発明によるガスタービンの触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムの特性及び利点は、添付の概略図面を参照する、限定を意図せず例証の目的で与えられた以下の説明によって更に明らかになるであろう。

特に図１を参照すると、ガスタービン１０は、本質的に、軸流圧縮機１１、燃焼器２０及びタービン１２を含む。図示の実施例において、燃焼器２０はヘッドを有し、そのすぐ下流側に触媒セルと燃焼後領域とが続く第１の燃焼領域がある。

この燃焼器２０は、ガス燃料が供給されるように設計されている。頭字語ＩＧＶ（「ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅｓ」）でも知られる調整ベーン１４のアレイが圧縮機１１の入口において見ることができる。

調整ベーン（ＩＧＶ）は、タービン入口での流量を変化させるような方法で、圧縮機に流入する空気の方向に対して適切な角度で各ベーンを設定するために調節及び又は回転させることができる。

調整ベーン（ＩＧＶ）を制御するためには、排出ガス内の一酸化炭素及び未燃物質の濃度が、約−２９°Ｃ〜＋４９°Ｃまで変化する周囲温度の範囲で広範な出力範囲にわたって全ての技術的に可能な作動条件内で最小化される作動領域Ａ内でタービンの作動状態を維持するように、タービン排出ガス温度、タービン速度、圧縮機排出圧力及びタービン入口の空気温度の調整に応じてディストリビュータのベーン１４の位置を決める必要がある。

上述の調整ベーン（ＩＧＶ）のための制御システムは、圧縮機排出装置（「ｉｎｒｅｔ ｂｌｅｅｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」の頭字語であるＩＢＨとしても知られる）と関連付けられて、圧縮機の入口に導入される圧縮機排出ガスを標準（ＩＳＯ）状態に維持する。

抽気システム（ＩＢＨ）は、調整ベーン（ＩＧＶ）の回転角に従って弁の開放をプログラムすることによって制御される。

調整ベーン（ＩＧＶ）の回転と抽気システム（ＩＢＨ）との組み合わせ効果により、第１の燃焼領域（ＴＰＢＥＸ）の排出のガス温度と圧縮機排出温度（Ｔ_３）との間の差の変動を制御することが可能になる。この変数はまた、用語Ｔｒｉｓｅ（Ｔｒｉｓｅ＝ＴＰＢＥＸ−Ｔ_３）で表される。

ＮＯｘの大部分がこの第１の燃焼領域内で生成され、Ｔｒｉｓｅにおける増加の関数であるので、Ｔｒｉｓｅは一定の限度内に維持されなければならない。ＴＰＢＥＸ、従ってＴｒｉｓｅはまた、燃焼室からの触媒出口における断熱温度（Ｔａｄ）の減少関数である。従って、ＴＰＢＥＸを低く維持するために（低ＮＯｘ生成のために）は、Ｔａｄを最大にする必要がある（ここで、Ｔａｄは、燃焼が完全に行われた場合に燃焼室の出口に存在する温度として定義される。）。

ＩＳＯ標準条件に対する調整ベーン（ＩＧＶ）の変動傾向は線形であり、ＣＰＲ（圧縮機圧力比、圧縮機を出る空気の全圧力と流入する空気の圧力との比として定義される）のある値まで一定を保持し、次いで直線的に減少する。

約−２９°Ｃから約＋４９°Ｃまで変化する広範な周囲温度範囲にわたってＴ_３を一定に保つために、抽気システム（ＩＢＨ）によって発生される流量と調整ベーン（ＩＧＶ）の回転角との間の相関関係が図４に要約されており、この図は、調整ベーン（ＩＧＶ）（横軸）の回転角の関数として縦軸上に抽気システム（ＩＢＨ）の流量の傾向を示している。

図４の線図は、機械によって要求される様々な負荷に対応するほぼ直線の傾向の一連の曲線を示しており、具体的には、第１の曲線４１はＩＳＯＴ_３を表し、第２の曲線４２は５０％出力での抽気システム（ＩＢＨ）の傾向を表し、第３の曲線４３は６０％出力、曲線４４は７０％出力、曲線４５は８０％出力での抽気システムの傾向を示す。

実際には、燃料供給が増加又は減少するとき、言い換えれば多少なりとも出力を必要としているときには、所与の周囲温度対して一定の温度Ｔ_３を維持するために、抽気システム（ＩＢＨ）の特性値と調整ベーン（ＩＧＶ）の回転との間のこれらの関係を維持しながら調整を行う必要がある。

図２を参照すると、これは、触媒の入口温度ＴＩＣが縦軸に示され、燃料−空気組成比Ｆ／Ａが横軸に示された図を示している。

エミッション中の窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素の濃度の低減を最適化するように動作する必要のある作動領域Ａは、触媒活性化温度を定める下側直線５０と、希薄混合気として知られるもの、すなわち様々な温度で一酸化炭素生成の限界を表す低燃料値を有するものに向かって位置付けられた曲線５１と、触媒に対する限界温度を表す一対の上側曲線５２及び５３とで境界が定められ、第１の上側直線５２が希薄混合気に関連し、第２の曲線５３は濃混合気、言い換えれば高燃料含有量を有するものに関連する。

領域Ａ内での符号５４は、運転上の推奨される最適な開始点を示し、矢印Ｕはガスタービンの出力が低下することになるときに、すなわち導入される燃料が少ないときに辿る経路を示す。

図３は、異なる関係、すなわちＴＰＢＥＸ（縦軸）の傾向の相関を触媒の温度Ｔａｄ（横軸）の関数として上記に表した原理を示している。従って、触媒燃焼室を有するガスタービンの負荷が低下したとき（その結果Ｔａｄが下降する）に、温度ＴＰＢＥＸは、触媒の正確な作動を維持するために上昇しなければならない。

上述のように、窒素酸化物のエミッションは、Ｔｒｉｓｅ（ＴＰＢＥＸ及びＴ_３）の増加関数であり、従って、負荷が減少すると、前記作用がＮＯｘの過剰な増加を引き起こすことになるので、Ｔ_３の正常な低下及びＴＰＢＥＸ要件の増大を補償する必要がある。

実際面では、エミッションが最適化されることになる場合、機械は、曲線により定められた条件で運転する必要があり、抽気システム（ＩＢＨ）は常にこの曲線に従うように動作する必要がある。

作動手順は、その範囲内で機械が作動する数値範囲、すなわち０度〜−５０度の間の調整ベーン（ＩＧＶ）の回転及び抽気システム（ＩＢＨ）におけるＷ２（Ｗ２は圧縮機が吸い込む空気流量を表す）の０％〜５％間の流量に制約される。

必要とされる結果は、ＩＳＯ標準に適合する出力レベル、−２９°Ｃ〜４９°ＣでＮＯｘを５０％〜１００％まで低減すること、及び−２９°Ｃ〜４９°Ｃで一酸化炭素ＣＯを５０％〜１００％まで低減することである。

本発明によって可能となる調整により、調整ベーン（ＩＧＶ）の回転が０に等しくなるまでＩＳＯ標準に従う最大標準流量を変更することが可能となり、同時に抽気システム（ＩＢＨ）の流量は、ＩＳＯ標準に従う負荷の０％から１００％まで変化する。

図５の線図を参照すると、前記ガスタービン１０の運転の数学モデルは、約−２９°Ｃから＋４９°Ｃまでに及ぶ外部環境条件のある範囲にわたってタービンの動作条件の変化による前述のエミッションを最適化するようにして、所定パラメータのセットに基づき、及びガスタービンにおいて測定されるデータの関数として計算ユニット６０において実施される。実際には、計算ユニット６０が作動するパラメータは、ディストリビュータベーン（ＩＧＶ）１４の回転角度及び周囲温度６３の測定に基づいた抽気システム（ＩＢＨ）の抽出流量の調整である。より大きい精度を得るために、計算ユニット６０はまた、圧縮機入口圧力６１及び圧縮機入口６２における絶対湿度を考慮するように設計されることになる。

従って、上述のような制御システムの実施により、実行されたシミュレーションによって予測されるような、過渡的及び定常的な運転状態の両方において予燃焼器内の火焔温度を規定限界以下、すなわち汚染物質エミッションレベル以下に維持することで確立される最適な制御すなわち良好な性能の点で優れた結果を得ることが可能となる。

上記説明は、本発明の目的を形成するシングルシャフトガスタービンにおける触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するシステムの特性を明確に証明すると共に、更に本システムの利点を明らかにするものであり、これらの利点には以下が含まれる。
＊低レベルの汚染エミッション。
＊燃焼室における低い圧力振動及び良好な火焔安定性。
＊高燃焼効率。
＊簡単且つ信頼性のある動作。
＊従来技術と比べて比較的安価な生産及びメンテナンスコスト。
＊所定の限界値より低く保持される予燃焼器内の算出火焔温度。

本発明によるガスタービンの概略側面図。 タービン運転の制御パラメータを表す図。 タービン運転の制御パラメータを表す図。 タービン運転の制御パラメータを表す図。 本発明によるシステムの作動の細部を示すブロック図。

符号の説明

６０ 計算ユニット
６３ 周囲温度
ＩＧＶ 調整ベーン
ＩＢＨ 抽気システム

Claims (4)

1. ガスタービン（１０）における触媒燃焼器のエミッションを制御し最適化するためのシステムであって、所定のパラメータのセットに基づいて前記ガスタービン（１０）の運転の数学的モデルを構築するための少なくとも１つの計算ユニット（６０）を備え、これにより前記エミッションを約−２９°Ｃ〜＋４９°Ｃまでの外部環境条件の範囲にわたり前記タービンの運転条件の変動中の最適化を行うことができることを特徴とするシステム。
2. 前記計算ユニット（６０）が動作する前記パラメータは、周囲温度（６３）及び調整ベーン（ＩＧＶ）（１４）の回転の関数としての抽気システム（ＩＢＨ）の流量の調整値を含む請求項１に記載の制御及び最適化システム。
3. 前記計算ユニット（６０）の入力パラメータは更に、より高精度にするために、圧縮機入口圧力と圧縮機入口での絶対湿度とを含む請求項２に記載の制御及び最適化システム。
4. 前記計算ユニット（６０）が動作する前記パラメータの値は、前記調整ベーン（ＩＧＶ）（１４）の回転に対して０度から−５０度までの範囲内にあり、抽気システム（ＩＢＨ）の流量（Ｗ２）（ここで、（Ｗ２）は、前記圧縮機が吸い込む空気流量）の０％から５％までの範囲内にある請求項２に記載の制御及び最適化システム。

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