JP2008175098A - 高湿分空気利用ガスタービン及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
水分添加開始の前及び後でも、燃焼器の低NOxを維持しかつ火炎の安定性も維持可能な高湿分空気利用ガスタービンプラント及びその運転方法を提供する。
【解決手段】
個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備えた燃焼器の一部の燃焼部を他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部(空気流に旋回成分を与える空気孔を備えた燃焼部)で構成し、圧縮空気への増湿開始後の所定期間または所定の条件が成立している期間、保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の比率を大きく設定して燃料流量を制御する。
【選択図】図4
Description
図1は本発明の第1の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図である。
101(大気圧)を圧縮機1で圧縮した高圧空気102は、本体ケーシング6内に充満した後、尾筒内筒12と尾筒外筒13の間の空間に流入し、尾筒内筒12を外壁面から対流冷却する。尾筒内筒12を冷却した後の抽気空気103は、尾筒外筒13によって形成された抽気流路14を通って本体ケーシング6外へと抽気される。
(F1)、第5列で構成される燃焼部が第2群(F2)、その外側の2列(第6,7列)で構成される燃焼部が第3群(F3)、最外周(第8列)で構成される燃焼部が第4群
(F4)と群分けされており、図1及び図2に示した様に、F1〜F4それぞれの群ごとにヘッダ30に設けたフランジ(41〜44)を通して燃料が供給できる様になっている。このような燃料系統の群分け構造により、ガスタービンの燃料流量変化に対し燃料供給する燃料ノズルの本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性が高まるとともに低NOx化が可能となる。さらに中央の4列(F1)の空気孔はピッチ円接線方向に角度(図3中のα°、本実施例では15°としている)を持った斜め穴にすることで、空気流全体に旋回をかけ、生じる循環流によって火炎を安定化させている。F1の周囲のF2〜F4は、中央のF1バーナの燃焼熱によって火炎が安定化される。
F1単独燃焼を今後の説明では1/4モードと呼ぶことにする。次にそれ以降の負荷上昇過程では、F1の外周のF2に燃料を投入して、F1+F2で運転する。すなわち、燃料系統201および202に燃料を供給し、燃料流量調節弁211および212により各燃料流量を制御する。このときを2/4モードと呼ぶことにする。
(おおよそ1600℃)以下になるよう空気配分が設定されているため、F4からのNOx発生をほとんど零とする燃焼が可能となる。また投入したF4燃料がごくわずかでも反応が完結するため、連続的な燃料切り換えが可能となり、運用性が向上する。
405にそれぞれ入力される。該燃料比率制御コントローラ403内では入力された該燃料流量指令信号414に基づき、F1からF4の燃料比率が演算され、F1−F4燃料比率信号416−419が出力される。F1からF4の燃料比率は、例えば、F1からF4各群の空気配分あるいはノズル数に比例した比率に設定することで、各群の燃焼温度を同等とし、低NOxかつ安定な燃焼を実現することができる。出力された該F1−F4燃料比率信号416−419は燃料比率補正コントローラ404に入力され、補正演算が行われた後、F1−F4補正燃料比率信号416a−419aとして出力され、燃料流量制御コントローラ405に入力される。該燃料流量制御コントローラ405では該F1−F4補正燃料比率信号416a−419aと燃料流量指令信号414に基づき、F1−F4燃料流量調節弁211−214の制御指令であるF1−F4燃料流量調節弁開度指令420−423が演算された後出力され、該F1−F4燃料流量調節弁211−214が所定の開度になり、F1からF4に所定の燃料流量が供給される。
415の入力開始から所定の時間のみ燃料比率補正信号415aが出力され、所定の時間経過後は該燃料比率補正信号415aが出力されなくなる。
414に基づき演算された、F1−F3燃料比率信号416−418が燃料比率補正コントローラ404に入力される。この時、湿分投入指令413がガスタービン制御装置401に入力されておらず、燃料比率補正信号415aは出力されていないため、加算器407と減算器408−410は作動していない。よって、該燃料比率補正コントローラ404に入力されたF1−F3燃料比率信号416−418は補正されずに燃料流量制御コントローラに入力され、演算されたF1−F3燃料流量調節弁開度指令420−422が出力され、F1−F3の燃焼ガス温度が同等となる燃料流量でF1−F3に燃料が供給される。
内の加算器407と減算器408−409が作動するため、F1燃料比率信号416には所定の比率が加算され、F2−F3燃料比率信号417−418からは所定の比率が減算され、F1−F3燃料比率信号416a−418aが出力される。F1−F3燃料比率補正信号416a−418aに基づき演算されたF1−F3燃料流量調節弁開度指令が燃料流量制御コントローラから出力され、F1−F3に燃料が供給される。この時、F1に供給される燃料流量の比率は湿分供給開始前に比べて大きくなるため、F1の燃焼ガス温度は高くなることから、F1の燃焼安定性が確保される。逆に、F2,F3に供給される燃料流量の比率は湿分供給開始前に比べて小さくなるが、高温で安定に燃焼しているF1の燃焼ガスによって、F2,F3の燃焼安定性も確保される。
408−409が作動しなくなり、該燃料比率補正コントローラ404に入力されたF1−F3燃料比率信号416−418は補正されずに燃料流量制御コントローラに入力され、湿分供給開始前と同様にF1−F3の燃焼ガス温度が同等となる燃料流量でF1−F3に燃料が供給される。タイマ406に設定する所定時間は、火炎の安定性の観点から定められる。例えば、後述の実施の形態で説明する条件となる時間を予め把握することにより定められる。
図7,図8は本発明の第2の実施例について示した図であり、図7は第1の実施例における図3に対応し、図8は第1の実施例における図6にそれぞれ対応するものである。
図10〜図12は本発明の第3の実施例について説明した図であり、図10は第1の実施例における図1に対応し、図11は第1の実施例における図3,図12は第1の実施例における図6及び第2の実施例における図8にそれぞれ対応するものである。
F4cまでの全燃焼部が予混合燃焼であり、F1cの燃焼部にのみ旋回羽根(旋回器)
38が設置されており、これによって生じる燃焼ガスの循環流により、F2cからF4cまでの火炎の保炎を行う。本実施例の燃焼器は第1,第2の実施例中に示した燃焼器に比べて、燃料−空気の混合に対して十分な距離を確保することができるため、NOxの低減を図ることが可能となるという特徴がある。一方、第1,第2の実施例のように再生サイクルによって燃焼空気が高温となり、予混合部37での燃焼自発火の可能性が生じる場合には、自発火防止に配慮が必要となる。
2 燃焼器
3 タービン
4 増湿器
5 再生器
6 本体ケーシング
7 燃焼器ケーシング
8 燃焼器カバー
9 燃料ノズル
10 燃焼器ライナ
11 フロースリーブ
12 燃焼器尾筒内筒
13 尾筒外筒
14 尾筒外筒に設けた再生器への抽気流路
15 抽気配管
16 隔壁部材
17 圧縮機吸気ケーシング
20 発電機
21 シャフト
22 給水加熱器
23 排ガス再過熱器
24 水回収装置
25 排気塔
26 水処理装置
27 吸気噴霧装置
30 燃料ヘッダ
31 燃料ノズル
32 空気孔
33 空気孔プレート
34 サポート
35 燃料噴流
36 空気噴流
37 予混合部
38 旋回羽根
41 F1燃料フランジ
42 F2燃料フランジ
44 F4燃料フランジ
50 ボイラ
51 圧縮空気と蒸気を混合する混合器
100 ガスタービン吸い込み空気(大気圧)
101 水噴霧後の吸い込み空気(大気圧)
102 圧縮空気
103 尾筒冷却後抽気空気
104 再生器前低温高湿空気
105 再生器通過後高温高湿空気
106 高温燃焼ガス
107 ガスタービン排ガス(タービン出口低圧燃焼ガス)
108 給水加熱器出口排ガス
109 排気筒排ガス
110 ボイラ吐出蒸気
111 混合器通過後高温高湿空気
200 燃料
201 F1燃料
202 F2燃料
203 F3燃料
204 F4燃料
210 燃料遮断弁
211 F1燃料流量調節弁
212 F2燃料流量調節弁
213 F3燃料流量調節弁
214 F4燃料流量調節弁
300 圧縮機吸気噴霧水
301 増湿装置給水
310 圧縮機吸気噴霧水量制御弁
311 増湿装置給水量制御弁
312 蒸気流量調節弁
401 ガスタービン制御装置
402 燃料流量制御装置
403 燃料比率制御コントローラ
404 燃料比率補正コントローラ
405 燃料流量制御コントローラ
406 タイマ
407 加算器
408−410 減算器
411 タービン速度指令信号
411a タービン速度信号
412 負荷指令信号
412a 負荷信号
413 湿分投入指令
414 燃料流量指令信号
415 湿分投入指令信号
415a 燃料比率補正信号
416 F1燃料比率信号
417 F2燃料比率信号
418 F3燃料比率信号
419 F4燃料比率信号
416a F1補正燃料比率信号
417a F2補正燃料比率信号
418a F3補正燃料比率信号
419a F4補正燃料比率信号
420 F1燃料流量調節弁開度指令
421 F2燃料流量調節弁開度指令
422 F3燃料流量調節弁開度指令
423 F4燃料流量調節弁開度指令
424 論理積器
425 蒸気流量調節弁開検知信号
Claims (10)
- 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始後の所定期間、前記保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が前記増湿装置による増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、前記保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。 - 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始後の所定期間、前記複数の燃焼部の各々に供給する燃料の比率を、前記保炎性に優れた燃焼部の燃料比率が前記増湿装置による増湿開始前の燃料比率よりも大きくなるように設定して、前記複数の燃焼部の各々に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。 - 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始の際に、所定の条件が成立している間、前記複数の燃焼部の各々に供給する燃料の比率を、前記保炎性に優れた燃焼部の燃料比率が前記所定の条件が成立していないときの燃料比率よりも大きくなるように設定して、前記複数の燃焼部の各々に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。 - 請求項3において、前記所定の条件は、前記増湿装置による増湿が開始し、かつ、負荷信号又は前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量指令信号が所定値以下のときであることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
- 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
部分負荷運転状態で、前記増湿装置により増湿させる際に、増湿開始後の所定期間、前記保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が、火炎が保たれる燃焼ガス温度以上となるように、前記保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御すると共に、その他の燃焼部に供給される燃料の流量を増湿開始前よりも減少させるように制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。 - 請求項1〜5の何れかにおいて、前記増湿装置は前記圧縮機からの圧縮空気に水を添加して加湿するものであり、前記増湿装置で加湿された圧縮空気と前記タービンからの排ガスを熱交換する再生熱交換器を備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
- 請求項6において、前記増湿装置に供給される水と前記再生熱交換器からの排ガスとを熱交換する給水加熱器を備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
- 請求項1〜7の何れかにおいて、前記複数の燃焼部は、燃料噴流と該燃料噴流の周囲にほぼ同軸となるように流れる空気流とから構成される燃料―空気同軸噴流を複数形成するように、燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと空気を噴出する複数の空気孔を配置してなることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
- 請求項8において、前記保炎性に優れた燃焼部は、空気流に旋回成分を与えるように前記複数の空気孔が形成されていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
- 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を有し、前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成された高湿分空気利用ガスタービンの運転方法であって、
前記増湿装置による増湿開始の際に、発電量増加率が所定値となるように、前記複数の燃焼部からなる燃焼器に供給する燃料の全体燃料流量を減少させ、
前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料の比率が前記燃焼器への全体燃料流量を減少させる前の燃料比率よりも大きくなるように、前記複数の燃焼部に燃料を供給することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。
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