JP2009504966A - ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービン - Google Patents

ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービン Download PDF

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Abstract

本発明は、コンバインドサイクル発電プラント（４０）内でガスタービン（１１）を運転する方法に関する。この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮される。この圧縮された空気が、石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給される。この場合、圧縮した空気の一部が、酸素及び窒素に分解される。中間過熱部及び２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有するガスタービン（１１）が使用されることによって改良された効率がこの方法で達成される。合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張する。合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張する。この場合、空気分解時に発生する窒素が、圧縮のためにガスタービン（１１）に供給される。

Description

本発明は、発電設備技術の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念に記載の（固定式）ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービンに関する。
中間過熱部（再熱ガスタービン）を有するガスタービンが公知である（例えば、米国特許出願公開第5,577,378号明細書又は”State-of-the-art gas turbines - a brief update”, ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26参照）。このガスタービンは、柔軟な運転を非常に低い排気ガス放出値で実現する。
−圧縮空気が、圧縮機で既にこの圧縮機の中圧によって重要な意味をもって分岐し、
−連続する燃焼の概念が、過剰な酸素値を低減しつつ燃焼の安定性の向上を可能にし、
−２次空気系が存在し、この２次空気系が、空気を圧縮機から分岐させて冷却すること、そして冷却された空気を燃焼室及びタービンを冷却するために使用することを可能にする。
中間過熱部を有するこの公知のガスタービンの原理が、図１中に示されている。コンバインドサイクル発電プラント１０の一部であるガスタービン１１が、１つの共通のシャフト１５に配置され相前後して連結された２つの圧縮機、すなわち１つの低圧圧縮機１３及び１つの高圧圧縮機１４並びに１つの燃焼室、すなわち１つの高圧燃焼室１８及び１つの中間過熱燃焼室１９並びに付随するタービン、すなわち１つの高圧タービン１６及び１つの低圧タービン１７を有する。シャフト１５が、発電機１２を駆動する。
この設備の動作を以下に示す：空気が、空気取入口２０を通じて低圧圧縮機１３によって吸引され、最初に中間圧力レベル（約20bar）に圧縮される。次いで高圧圧縮機１４が、その空気を高圧レベル（約32bar）にさらに圧縮する。冷気が、中間圧力レベルと高圧レベルとで分岐され、付随するＯＴＣ冷却器（OTC=Once Through Cooler）２３及び２４内で冷却され、冷却管２５及び２６を経由して、冷却のために燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７にさらに送られる。高圧圧縮機１４からの残りの空気が、高圧燃焼室１８に送られ、そこで燃料供給管２１を通じて供給された燃料の燃焼によって加熱される。次いで対応する排気ガスが、後続する運転中の高圧タービン１６内で中圧レベルに膨張される。この排気ガスは、この膨張後で別の運転中の後続する低圧タービン１７内で膨張される前に中間過熱燃焼室１９内で燃料供給管２２を通じて供給された燃料の燃焼によって再び加熱される。
材料温度を適正な程度に制限するため、冷却管２５，２６を貫流する冷気が、燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の適切な位置に流入される。蒸気を生成するため、低圧タービン１７から来た排気ガスが、廃熱回収ボイラ２７（ＨＲＳＧ＝Heat Recovery Steam Generator）を通じて送られる。この蒸気は、水蒸気循環路内で蒸気タービン２９を貫流し、そこでさらなる仕事をする。排気ガスは、廃熱回収ボイラ２７の貫流後に排気管２８を通じて最終的に外部に排気される。ＯＴＣ冷却器２３，２４は、水蒸気循環路の一部である。過熱蒸気が、この水蒸気循環路の出口で生成される。
大きい柔軟性が、燃焼室１８及び１９内の互いに独立して連続する両燃焼によって得られる；最大効率が、存在する限界内で達成されるように、燃焼室の温度が調整され得る。連続した燃焼系の低い排気ガス値が、固有の低い放出値によって与えられている。これらの固有の低い放出値は、中間過熱時に実現可能である（所定の条件下では、第２燃焼がＮＯＸの燃焼さえも招く）。
他方では、ガスタービン内の１段燃焼部を有するコンバインドサイクル発電プラントが公知である（例えば、米国特許出願公開第4,785,622号明細書又は米国特許第6,513,317号明細書参照）。ガスタービンに必要な石炭から得られる合成ガスの形態の燃料を提供するため、石炭気化設備が、これらのコンバインドサイクル発電プラント内に組み込まれている。これらのコンバインドサイクル発電プラントは、ＩＧＣＣ（IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle）プラントと呼ばれる。
本発明は、このガスタービン型式の利点が中間過熱部を有するガスタービンをＩＧＣＣプラント内で使用することによってこのプラント内で特別な方法で利用可能になり得る という認識から出発する。
米国特許出願公開第5,577,378号明細書 米国特許出願公開第4,785,622号明細書 米国特許第6,513,317号明細書 "State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26
本発明の課題は、特に石炭気化設備と協働するガスタービンを運転する、向上した効率を特徴とし、特に中間冷却部の利点を有する方法を提供すること及びこの方法を実施するガスタービンを提供することにある。
この課題は、請求項１及び８の特徴の全体によって解決される。中間過熱部を有するガスタービンが、石炭気化設備からの合成ガスによって動作するガスタービン設備内で使用される点が重要である。このガスタービンは、２つの燃焼室及び２つのタービンを有する。この場合、合成ガスが、第１燃焼室内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン内で膨張する。この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービンから来た排気ガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン内で膨張する。空気分解時に発生する窒素が、圧縮するためにガスタービンに再び供給される。圧縮機の空気が、比較的冷たい窒素をこの圧縮機に添加することによって冷却される。その結果、圧縮機の中間冷却の方式が得られる。この中間冷却は、このような中間冷却の利点につながる。熱力学的な効率に関するこれらの利点に加えて、圧縮機内の温度が低下する。その結果、必要な冷気の量が減少する、つまり冷気の追加の冷却を不要にさせる。
本発明の方法の構成は、ガスタービンが吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機及び空気をこの第１圧力段からより高い第２圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機を有すること、第１圧縮機から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が圧縮のために第２燃焼室に供給されることを特徴とする。
この場合、窒素が、第２圧縮機に供給される前に、この窒素は、好ましくは最初に別の圧縮機内で予備圧縮される。
この場合、この予備圧縮された窒素は、第２圧縮機の特に入口に供給され得る。
本発明の方法の別の構成は、ガスタービンが吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機及びこの第１圧力段の空気をより高い圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機を有すること、第１圧縮機から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が圧縮のために第１圧縮機に供給されることを特徴とする。
この場合、窒素が、中間段の第１圧縮機に供給され得る。しかしこの代わりに、この圧縮機は、第１圧縮機の入口に供給されてもよい。
本発明によるガスタービンの一構成は、相前後して連結された２つの圧縮機が設けられていること、窒素管が第２圧縮機に敷設されていること、及び、もう１つの圧縮機がこの窒素管内に配置されていることを特徴とする。
特に窒素管は、第２圧縮機の入口に敷設され得る。
もう１つの構成は、相前後して連結された２つの圧縮機が設けられていること、及び、窒素管が第１圧縮機つまり第１圧縮機の入口又は第１圧縮機の中間段に敷設されている ことを特徴とする。
特に空気分解設備の出力側が、分解時に発生する酸素を流出する酸素管を有する。この酸素管は、石炭の気化によって合成ガスを生成する設備まで敷設されている。この場合、合成ガス管が、合成ガスを生成する設備から燃焼室まで生成された合成ガスを搬送する。
以下に、本発明を図面に関係する実施の形態に基づいて詳しく説明する。
図２中には、本発明を実現するために適しているような中間過熱部つまり連続燃焼部を有するガスタービンを有するＩＧＣＣプラントが非常に簡略化された図で示されている。このコンバインドサイクル発電プラント３０は、低圧圧縮機１３，後続する高圧圧縮機１４，後続する高圧タービン１６を伴う高圧燃焼室１８及び後続する低圧タービン１７を伴う中間過熱燃焼室１９を有するガスタービン１１を備える。圧縮機１３，１４及びタービン１６，１７が、１つの共通のシャフト１５に固着している。発電機１２が、このシャフト１５によって駆動される。燃料としての合成ガスが、合成ガス供給管３１を経由して燃焼室１８及び１９に供給される。この合成ガスは、石炭気化設備３４内の石炭（石炭供給３３）の気化によって生成される。合成ガス用の冷却装置３５，濾過装置３６及び遊離されたＣＯ２を放出するためのＣＯ２流出口３８を有するＣＯ２分離装置３７が、石炭気化設備３４の後方に連結されている。
酸素（Ｏ２）が、石炭気化設備３４内で石炭を気化するために使用される。この酸素（Ｏ２）は、空気分解設備３２内で得られ、酸素管３２ａを通じて供給される。この空気分解設備３２は、低圧圧縮機１３の出口から圧縮空気を受け取る。この分解と同時に発生する窒素（Ｎ２）が、例えば窒素管３２ｂを通じて低圧燃焼室１９に供給される。
高温ガスに曝された燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の要素を冷却するため、圧縮された冷気が、圧縮された冷気が、両圧縮機１３及び１４の出口で流出され、後続連結されたＯＴＣ冷却器２３又は２４内で冷却され、次いで対応する冷却管２５及び２６を経由して冷却すべき位置に供給される。
廃熱回収ボイラ２７が、低圧タービン１７の出口に配置されている。連結されている蒸気タービン２９を伴うこの廃熱回収ボイラ２７は、水蒸気循環路の一部である。廃熱回収ボイラ２７から出て行く排気ガスが、排気管２８を通じて外部に排気される。
このようなプラント構成では、空気分解時に発生する冷却窒素の使用が、図３又は４にしたがって変更される。図３のコンバインドサイクル発電プラント４０では、確かに中間過熱燃焼室１９及び低圧タービン１７が、依然として低圧圧縮機１３の出口で分岐され、次いでＯＴＣ冷却器２３内で冷却される圧縮空気によって冷却される。この場合にＯＴＣ冷却器２４がもはや必要でないことを除けば、同じことが、高圧燃焼室１８及び高圧タービン１６に対しても成立する。
このことは、図３によれば以下のように実現される：空気分解設備３２内での空気分解時に発生する窒素（Ｎ２）が、窒素管３２ｂを経由して高圧圧縮機１４内に供給され、そこで圧縮される。必要な圧力レベルにするため、窒素を圧縮する追加の圧縮機３９が、窒素管３２ｂに連結されている。図３中では、窒素が、高圧圧縮機１４の入口に向かって直接流入される。しかし、窒素が中間段で高圧圧縮機１４内に供給されることも考えられる。
図４中に示された別の構成の場合、空気分解設備３２から来る窒素が、窒素管３２ｂを経由して低圧圧縮機１３内、つまり中間段（図４中の実線）内又は低圧圧縮機の入口（図４中の破線）内に供給される。予備圧縮が、この場合に不要である。
本発明の原理は、総括して以下のように説明できる：
−中圧レベル（約11-20 bar）にある空気が、圧縮機で分岐され、空気分解設備に供給される。
−空気分解時に発生する比較的低い温度の窒素が、この圧縮機に戻される、つまり
・この圧縮機の入口に戻されるか又は
・空気が分岐された中間段より低い中間段に戻されるか又は
・空気が分岐された中間段に対して正確に戻される。
全ての３つの場合では、低温窒素が、この圧縮機を冷却し、その結果「圧縮機の中間冷却」の方式を構成する。中間冷却の全ての公知の利点が、この圧縮機の中間冷却につながる。
この概念を実現する前提条件は、希釈しなかった（Ｎ２の添加なしの）石炭ガスがガスタービンの両燃焼室内で使用され得ることである。空気分解が、比較的冷たい窒素を供給し、（図２中に示されているように）この窒素が希釈のために燃焼室内で必要になるのではないので、この窒素は、中間冷却のために非常に効率よく使用され得る。これによって、冷気を冷却するための両ＯＴＣ冷却器（２３，２４）を削減することが可能になる（図４参照）。
従来の技術による中間過熱部つまり連続燃焼部を伴うガスタービンを有するコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。 本発明を実現するために適している中間過熱部つまり連続燃焼部を伴うガスタービンを有するＩＧＣＣプラントの概略図である。 空気分解時に得られる窒素を図２中に示された方式のプラント内の圧縮機に本発明にしたがって戻すための第１の実施の形態を示す。 空気分解時に得られる窒素を図２中に示された方式のプラント内の圧縮機に本発明にしたがって戻すための第２の実施の形態を示す。
符号の説明
１０,３０，４０ コンバインドサイクル発電プラント
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１５ シャフト（ガスタービン）
１６ 高圧タービン
１７ 低圧タービン
１８ 高圧燃焼室
１９ 低圧燃焼室
２０ 空気取入口
２１，２２ 燃料供給管
２３，２４ ＯＴＣ冷却器
２５，２６ 冷却管
２７ 廃熱回収ボイラ
２８ 排気管
２９ 蒸気タービン（蒸気サイクル）
３１ 合成ガス供給管
３２ 空気分解設備
３２ａ 酸素管
３２ｂ 窒素管
３３ 石炭供給
３４ 石炭気化設備
３５ 冷却装置
３６ 濾過装置
３７ ＣＯ２分離装置
３８ ＣＯ２流出口
３９ 圧縮機

Claims (14)

  1. 特にコンバインドサイクル発電プラント（３０，４０）で使用されているガスタービン（１１）を運転する方法にあって、この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮され、この圧縮された空気が、石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給され、燃焼時に発生する高温ガスが、後続するタービン（１６，１７）内で仕事をしつつ膨張し、この場合、圧縮した空気の一部が、酸素及び窒素に分解され、酸素が、石炭気化設備（３４）内で合成ガスを生成するために使用され、この場合、圧縮した空気の一部が、高温ガスに曝されたガスタービン（１１）の一部を冷却するために使用される方法において、
    中間過熱部を有するガスタービン（１１）が使用され、このガスタービン（１１）は、２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張し、
    空気分解時に発生する窒素が、圧縮のためにガスタービン（１１）に供給されることを特徴とする方法。
  2. ガスタービン(１１)が吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機(１３)及び空気をこの第１圧力段からより高い第２圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機(１４)を有すること、第１圧縮機(１３)から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が圧縮のために第２圧縮機（１４）に供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 窒素が第２圧縮機（１４）に供給される前に、この窒素は最初にもう１つの圧縮機（３９）内で予備圧縮されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 予備圧縮された窒素は、第２圧縮機（１４）の入口に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. ガスタービン(１１)が吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機(１３)及び空気をこの第１圧力段からより高い第２圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機(１４)を有すること、第１圧縮機(１３)から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が圧縮のために第１圧縮機（１３）に供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 窒素は、第１圧縮機（１３）の中間段に供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 窒素は、第１圧縮機（１３）の入口に供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 請求項１に記載の方法を実施するガスタービン（１１）にあって、このガスタービン（１１）は、中間過熱部を有するガスタービンとして構成されていて、吸引された空気を圧縮する圧縮機（１３，１４），２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、燃焼が、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、燃料が、第２燃焼室（１９）内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生するガスが、第２タービン（１７）内で膨張するガスタービンにおいて、
    空気分解設備（３２）が設けられていて、この空気分解設備（３２）は、その入口側が圧縮機（１３，１４）に連結されていて、その出口側が分解時に発生する窒素を流出する窒素管（３２ｂ）を有すること、及び、この窒素管（３２ｂ）は、圧縮機（１３，１４）まで敷設されていることを特徴とするガスタービン。
  9. 相前後して連結された２つの圧縮機（１３，１４）が設けられていること、窒素管（３２ｂ）が第２圧縮機（１４）まで敷設されていること、及び、もう１つの圧縮機（３９）がこの窒素管（３２ｂ）内に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン。
  10. 窒素管（３２ｂ）は、第２圧縮機（１４）の入口まで敷設されていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービン。
  11. 相前後して連結された２つの圧縮機（１３，１４）が設けられていること、窒素管（３２ｂ）が第１圧縮機（１３）まで敷設されていることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン。
  12. 窒素管（３２ｂ）は、第１圧縮機（１３）の入口まで敷設されていることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービン。
  13. 窒素管（３２ｂ）は、第１圧縮機（１３）の中間段まで敷設されていることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービン。
  14. 空気分解設備(３２)の出力側が、分解時に発生する酸素を流出する酸素管（３２ａ）を有し、この酸素管（３２ａ）は、石炭の気化によって合成ガスを生成する設備（３３，．．．，３８）まで敷設されていること、及び、合成ガス管(３１)が、合成ガスを生成する設備（３３，．．．，３８）から燃焼室（１８，１９）まで生成された合成ガスを搬送することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載のガスタービン。
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