JP2010019195A

JP2010019195A - ガスタービンの運転制御装置

Info

Publication number: JP2010019195A
Application number: JP2008181751A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Nakamura; 徳彦中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: EP2317098A1; CN102149915A; BRPI0915843A2; RU2471082C2; WO2010005120A1; US20110100018A1; JP5115372B2; RU2011105003A

Abstract

【課題】難燃性のアンモニアを主燃料として用いた場合であっても、ガスタービンを安定して始動、運転、停止させることができるガスタービンの運転制御装置を提供する。
【解決手段】主にアンモニアを燃料として駆動されるガスタービン１の運転制御装置では、ガスタービンの冷間始動時及び始動直後や停止直前等、ガスタービンの通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する燃焼性悪化運転領域では、通常運転時に比べて、ガスタービンに供給する燃料中の化石燃料の割合を増大させる。
【選択図】図３

Description

本発明はガスタービンの運転制御装置に関する。

近年の地球温暖化は益々深刻な事態に発展しつつある。その主原因は、２０世紀に入りエネルギー源として多量に使用されてきた石油・天然ガス等の化石燃料から放出された大気中の二酸化炭素（ＣＯ₂）等であると考えられている。したがって、地球環境保護のために早急なＣＯ₂等の温暖化ガスの排出抑制が求められている。

一方、エネルギー需要の増大により、かつては無尽蔵と考えられていた化石燃料の枯渇がより明確になりつつあり、予想を遙かに上回る早さで価格の高騰が続いている。近い将来、もはや人類は化石燃料のエネルギーに期待することが困難になることが予想される。

このように枯渇していく化石燃料を特に大量に消費し、多量のＣＯ₂を排出しているものとして、火力発電所が挙げられる。現在、火力発電所は全世界の発電量の約７０％を占めているが、火力発電所では天然ガス、重油、石炭等の化石燃料を使用して膨大なＣＯ₂を日夜排出している。

現在、火力発電所で発電機を回すための動力としては、主にガスタービン又は蒸気タービンが採用されている。ガスタービンは、内燃機関の一種であり、ガスタービン内部の燃焼器で直接燃料を燃焼させて高温高圧のガスを発生させ、このガスによりタービン翼車を駆動させて、動力を取り出している。ガスタービンでは、現在、主として天然ガスが燃料として使われている。

一方、蒸気タービンは、外燃機関の一種であり、ボイラーで燃料を燃焼させて高温高圧の水蒸気を発生させ、この水蒸気によりタービン翼車を駆動させて、動力を取り出している。蒸気タービンでは、主として重油、石炭（微粉炭）が燃料として使われている。また、複合システム（ガスタービンと蒸気タービンとのコンバインド型システム）では、ガスタービンの排気余熱により水蒸気を発生させ、この水蒸気により蒸気タービンを駆動させることにより、ガスタービン及び蒸気タービンの双方から動力を取り出しており、高い総合効率を得ている（例えば、特許文献１）。

このように、火力発電所で採用されている上記のいずれの方式においても、天然ガス、重油、石炭等の化石燃料が用いられている。このため、火力発電所では多量の化石燃料が消費されていると共に、莫大なＣＯ₂が排出されている。このため、火力発電所からのＣＯ₂の排出を削減すべく、ＣＯ₂吸収放出材を利用してガスタービンから排出されるＣＯ₂を含む排ガスからＣＯ₂を分離回収すること等が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００６−９５７４号公報特開２０００−２９７６５６号公報

ところで、ＣＯ₂等の温暖化ガスの排出量増大や化石燃料の枯渇に対する抜本的な対策として、本願の発明者は、無尽蔵ともいえる太陽エネルギーを変換又は貯蔵し且つ利用することを提案している。具体的には、一次エネルギー源として太陽エネルギーを用いて水と空気からクリーンなアンモニアを製造し、このアンモニアを最終消費地まで輸送し、最終消費地においてアンモニアを使用してエネルギーを得るようにするものである。

最終消費地におけるアンモニアの使用方法としては種々の形態が考えられ、そのうちの一つとして火力発電所で用いることが挙げられる。火力発電所において燃料としてアンモニアを用いれば、ＣＯ₂が一切排出されないため、ＣＯ₂の排出を劇的に削減することが可能である。また、枯渇しつつある化石燃料を消費することなく、今後一層増加する電力需要に対応することが可能となる。そこで、火力発電所のガスタービン及び蒸気タービン等において、現在燃料として使用されている化石燃料に代えてアンモニアを燃料として用い、これによりＣＯ₂の発生及び化石燃料の消費を抑制することが本発明の主目的である。

ここで、アンモニアは分子式ＮＨ₃が示すように多量の水素を含み（約１８ｗｔ％）、完全燃焼させれば水と窒素になり、ＣＯ₂は一切発生しないが、アンモニアは難燃性の物質であって容易には燃焼しない。着火に必要な最小点火エネルギーは８ｍＪとガソリンの約３０倍である。また、自己着火温度も６５０℃以上であり、大変安定している。さらに一旦着火してもその燃焼速度は１．５ｃｍ／ｓとガソリンの燃焼速度１／４０程度であり、可燃範囲（燃焼可能な濃度範囲）も１５％〜２８％と非常に狭い。このためアンモニアは燃焼させるのが非常に困難な物質であり、ガスタービン等の燃料としては殆ど利用されてこなかった。

難燃性のアンモニアを燃料として利用しようとした場合、燃焼させるのが最も困難なのはガスタービン等を始動させる時及びその直後である。始動時及び始動直後はガスタービンの燃焼器等の構成部品の温度や供給される空気の温度が低く、不完全燃焼を生じやすい。このように不完全燃焼が生じやすい理由としては主に以下の二つが挙げられる。

第一の理由は、燃料と空気の混合気の均一性である。混合気を完全燃焼させるためには、液体燃料を気化させてガス状態にすると共に供給される空気と均一に混合させる必要がある。まず、液体燃料が気化するためには気化熱を周囲から奪う必要があるが、この時に燃焼器等の構成部品の温度が低いと液体燃料に十分な熱が与えられない。このため、構成部品の温度が低いと液体燃料の気化が不完全となり、燃料ガスと空気との均一な混合気が得られない。

この気化に際して必要とされる気化熱は燃料によりそれぞれ異なっている。アンモニアは大気圧下では−３３．５℃で蒸発して液体から気体に変化するが、この時に必要とされる気化熱は１３７１ＫＪ／ｋｇと非常に大きく、液化天然ガス、石油等の化石燃料と比較すると約４倍となる。このようにアンモニアの気化熱は非常に大きいため、冷間時には燃焼器や供給空気が冷却されてしまい、十分な熱が混合気に与えられなくなってしまう。このため、アンモニアの気化は不十分になり、混合気の均一性が大きく損なわれてしまう。

第二の理由は、アンモニアの可燃範囲の狭さである。天然ガス等のように可燃範囲が広ければ、多少均一性が失われても混合気を燃焼させることは可能である。しかしながら、アンモニアの可燃範囲は狭いので、混合気が不均一であると不完全燃焼域が多く発生し、燃焼の継続は困難となる。

また、難燃性のアンモニアを燃料として利用しようとした場合、ガスタービン等の停止直前も同様に燃料を燃焼させるのが困難である。すなわち、タービンの停止直前には燃料の供給量を次第に減少させていく必要があるが、燃料の供給を次第に減少させていくと、ヒートロス及びアンモニアの気化熱の影響で燃焼ガスの温度は次第に低下する。このため、アンモニアの気化が不十分となって、混合気の均一性が損なわれやすい。また、可燃範囲は混合気の温度に応じて変化し、混合気が高温であるときには可燃範囲は多少広くなるが、燃焼ガスの温度が次第に低下すると混合気の可燃範囲が狭くなり、不完全燃焼が発生するようになる。

このように、難燃性のアンモニアを燃料として利用すると、ガスタービンの始動時及び始動直後等に不完全燃焼が発生してしまう。このように不完全燃焼が発生すると、多量の未燃分がガスタービンの外へ排出される。

さらに、難燃性のアンモニアを燃料として利用しようとした場合、ガスタービン等の通常運転中（すなわち、ガスタービン等の始動時・始動直後や停止直前等ではなく、安定して定常的なガスタービンの運転が行われている時）においても不測の事態により混合気が乱れ、混合気の濃度が可燃範囲を逸脱してしまう場合がある。この場合にも部分的に不完全燃焼が発生し、燃焼ガスの温度が一気に低下すると共に周囲に多量の未燃分が排出されることになる。

このように難燃性のアンモニアを安定して燃焼させて、タービンで使用するためには、従来の天然ガス、重油のような燃焼し易い化石燃料よりも一層の工夫が要求される。例えば、点火装置を強化したり、燃焼器形状又はノズル形状の改良によってより均一な混合気を形成させたりすることに加えて、狭い可燃範囲を外れないように燃料供給量、空気供給量の一段と精度の高い計量、制御が必要である。しかし、冷間時からの始動、停止直前の燃料不全は難燃性を持つアンモニアの本質的な課題であり、燃焼器、ノズル等の改良では限界があり、根本的な解決は困難である。

そこで、本発明の目的は、この本質的なアンモニアの燃焼課題を運転方法の工夫により根本的に解決することにあり、特に、難燃性のアンモニアを主燃料として用いた場合であっても、ガスタービンを安定して始動、運転、停止させることができるガスタービンの運転制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、主にアンモニアを燃料として駆動されるガスタービンの運転制御装置において、ガスタービンの通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する燃焼性悪化運転領域では、通常運転時に比べて、ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を増大させる。

第２の発明では、第１の発明において、前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料は化石燃料である。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記燃焼性悪化運転領域は、主燃料としてアンモニアをガスタービンに供給するとアンモニアの気化が不完全となる運転領域である。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記燃焼性悪化運転領域は、燃料が燃焼する燃料燃焼部周りの雰囲気温度が通常運転時に比べて低い運転領域である。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記燃焼性悪化運転領域は、ガスタービンの始動時又は始動直後における運転領域である。

第６の発明では、第１又は第２の発明において、前記燃焼性悪化運転領域は、通常運転時に比べてガスタービンに供給される燃料量が少ない運転領域である。

第７の発明では、第１、第２又は第６のいずれか一つの発明において、前記燃焼性悪化運転領域は、ガスタービンの停止直前における運転領域である。

第８の発明では、第１〜第７のいずれか一つの発明において、前記ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を変化させる場合には、ガスタービンに供給する前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料を徐々に減量又は増量していく。

第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記燃焼性悪化運転領域では、ガスタービンにアンモニアを供給しない。

第１０の発明では、第９の発明において、前記燃焼性悪化運転領域では、ガスタービンに前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料のみを供給する。

第１１の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記通常運転時にも、ガスタービンに前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料を供給する。

第１２の発明では、第１１の発明において、前記通常運転時には、燃料の総発熱量の３〜１０％に対応する量の前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料をガスタービンに供給する。

第１３の発明では、第１〜第１２のいずれか一つの発明において、前記ガスタービンは、燃料及び空気が供給されてこれらの混合気が燃焼せしめられる燃焼器を具備し、該燃焼器は混合気の燃焼領域に拡散燃焼用の燃料を噴射するパイロット噴孔と、該燃焼領域に予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメイン噴孔とを備え、ガスタービンにアンモニア及び前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の両方を供給する時にはアンモニアはメイン噴孔から噴射される。

第１４の発明では、第１３の発明において、前記パイロット噴孔からは常に前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料が供給される。

第１５の発明では、第１〜第１４のいずれか一つの発明において、前記ガスタービンは、燃料及び空気が供給されてこれらの混合気が燃焼せしめられる燃焼器を具備し、該燃焼器は混合気の燃焼領域に拡散燃焼用の燃料を噴射するパイロット噴孔と、該燃焼領域に予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメイン噴孔とを備え、前記ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を変化させる場合には、複数のメイン噴孔から噴射される燃料がメイン噴孔毎に段階的に切り替えられる。

第１６の発明では、第１〜第１５のいずれか一つのガスタービンの運転制御装置によって制御されるガスタービンを備えた火力発電プラントが提供される。

本発明によれば、難燃性のアンモニアを主燃料として用いた場合であっても、ガスタービンを安定して始動、運転、停止させることができるガスタービンの運転制御装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の運転制御装置によって運転が制御されるガスタービン１の概略側面図である。本実施形態のガスタービン１は、火力発電プラントにおいて用いられ、ガスタービン１の出力は発電機（図示せず）を駆動するのに用いられる。

本実施形態のガスタービン１では、燃料として主にアンモニアが用いられるが、ガスタービン１の構造は燃料として天然ガスや石油といった化石燃料を用いるガスタービン（以下、「天然ガス用ガスタービン」という）の構造と基本的に同様である。

図１に示したように、ガスタービン１は、出力軸１０と、ケーシング２０と、圧縮機３０と、燃焼器４０と、タービン５０とを具備する。出力軸１０はケーシング２０内に収容されると共に、ケーシング２０に対して回転可能に支持されている。ケーシング２０は、空気をケーシング２０内に吸入するための吸入口２１と燃焼ガスをケーシング２０内から排出するための排気口２２とを有する。

圧縮機３０は、ケーシング２０内に設けられ、交互に配置された複数の静翼３１及び動翼３２を備える。圧縮機静翼３１はケーシング２０に、圧縮機動翼３２は出力軸１０にそれぞれ連結される。圧縮機動翼３２が圧縮機静翼３１に対して回転することによって、ケーシング２０の吸入口２１から空気が吸入されると共に圧縮される。燃焼器４０は、ケーシング２０内に設けられており、詳細な構成については後述する。

図１に示したように、タービン５０もケーシング２０内に配置されており、交互に配置された複数の静翼５１及び動翼５２を備える。タービン静翼５１はケーシング２０に、タービン動翼５２は出力軸１０にそれぞれ連結される。燃焼器４０における混合気の燃焼により生じた燃焼ガスがタービン５０を通って流れることにより、タービン静翼５１に対してタービン動翼５２が回転駆動せしめられ、その結果、出力軸１０に動力が発生することになる。

このようにして構成されたガスタービン１では、まずケーシング２０の吸入口２１から吸入された空気が圧縮機３０によって断熱圧縮される。圧縮機３０によって温度及び圧力が高められた空気（圧縮空気）は、燃焼器４０に流入し、燃焼器４０において噴射された燃料と共に混合気を形成する。この混合気は燃焼器４０内で燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスとなってタービン５０に流入し、タービン動翼５２を回転させ、動力を発生させる。火力発電プラントでは、この回転動力で発電機を回転して発電を行っている。

図２は、燃焼器４０の概略拡大図であり、図中の矢印は空気及び燃焼ガスの流れを示している。図２に示したように、燃焼器４０は、燃焼器内筒４１、燃料器内筒４１に連通する燃焼器尾筒４２とを具備する。燃焼器内筒４１の中心軸線上にパイロットノズル４３が配置されており、このパイロットノズル４３の周りには複数のメイン予混合ノズル４４が周方向に等角度間隔で配置されている。パイロットノズル４３にはパイロットノズル４３にパイロット燃料（拡散燃焼させるための燃料）を供給するパイロット燃料用パイプ４３ａが設けられ、メイン予混合ノズル４４にはメイン予混合ノズル４４にメイン燃料（予混合燃焼させるための燃料）を供給するメイン燃料用パイプ４４ａが設けられる。

次に、このように構成された燃焼器４０での空気及び燃料の流れ並びに燃料の燃焼形態について説明する。圧縮機３０によって圧縮された空気は、図２中に矢印Ａで示したように、圧縮機３０から流出する。圧縮機３０から流出した圧縮空気は、ケーシング２０内を流れて燃焼器内筒４１の開口端部から燃焼器内筒４１内に流入し、その後、パイロットノズル４３及びメイン予混合ノズル４４に流入する。

パイロットノズル４３及びメイン予混合ノズル４４では、流入した圧縮空気に対して燃料が噴射され、これらノズル４３、４４では混合気が形成される。パイロットノズル４３の噴孔から噴出された混合気はパイロット拡散火炎を形成し、メイン予混合ノズル４４の噴孔から噴出された混合気はパイロット拡散火炎に接触して主火炎を形成して燃焼する。このような混合気の燃焼によって得られた燃焼ガスは、燃焼器尾筒４２を介してタービン５０に供給され、これによりタービン５０が回転せしめられる。

このようにガスタービン１の構造は天然ガス用ガスタービンの構造と基本的に同様であるが、上述したように本実施形態では燃料として主にアンモニアが用いられるため、天然ガス用ガスタービンの構造と完全に同一ではない。特に、ガスタービン１の燃焼器４０の構造が天然ガス用ガスタービンで用いられる燃焼器の構造と異なっている。

具体的には、燃料を噴射するノズルのサイズが天然ガス用ガスタービンに比べて大きいものとされる。すなわち、燃料を天然ガスからアンモニアに変更した場合、燃料の体積当たりのエネルギー密度が約半分になる。このため、燃料を変更しても同一の燃焼エネルギーを得るためには、供給すべき燃料量が約二倍になる。また、アンモニアの理論空燃比（混合気に含まれる空気の重量を燃料の重量で割った比率であって、空気に燃料を混合した時、理論上、燃料が完全燃焼するはずの比率）は天然ガスの理論空燃比に比べて小さい。このため、燃料を変更しても混合気の空燃比を理論空燃比に維持するためには、供給すべき燃料量が多くなる。従って、多量の燃料を供給することができるようにすべく、燃料を噴射するノズル、特に予混合ノズルのサイズを大きくしたり、ノズルの数を増やしたりする必要がある。

また、アンモニアの燃焼速度は天然ガスに比べると遅いので燃料負荷（単位体積、単位時間あたりの燃焼発生熱量）が小さくなる。従って、燃料として天然ガスを用いた場合と同一の総発熱量を得るためには、燃焼器４０、特に燃焼器内筒４１のサイズを大きくする必要がある。

このように、本実施形態では、アンモニアを最適に燃焼させるために、ガスタービン１の燃焼器４０の構成を、天然ガス用ガスタービンの構成と異なるものとしている。

ところで、上述したようにアンモニアは難燃性の物質であり、容易には燃焼しない。上述したような燃焼器４０の構成を採用することにより、ガスタービンの通常運転時（すなわち、ガスタービンの始動時・始動直後や停止直前等ではなく、安定して定常的なガスタービンの運転が行われている時）には燃料供給量や空気供給量を適切に制御することによりアンモニアを安定して燃焼させることはできるが、ガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後や、停止直前にはアンモニアを安定して燃焼させることができない。

ここで、上述したような燃焼器内筒４１及びノズル４３、４４の形状の改良や、点火装置の強化によってはガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後にアンモニアを安定して燃焼させることが困難である点を考慮すると、アンモニアに加えて何らかの別の安定した熱発生源が必要になると共に、核となる火炎を保持する必要がある。また、火力発電所のガスタービンは、従来から天然ガス、重油、微粉炭等の化石燃料の使用を前提に設計されている。

そこで、本実施形態では、ガスタービン１の通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する運転領域であるガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後には、ガスタービン１に、すなわち燃焼器４０に天然ガスを供給し、ガスタービン１が十分に暖機した後で燃料を天然ガスからアンモニアに切り替えるようにしている。

図３は、ガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後における燃焼器内筒（すなわち、燃料燃焼部）４１周りの雰囲気温度（すなわち、燃焼器４０自体の温度、圧縮空気の温度、燃焼ガスの温度等）、ガスタービン１へのアンモニアの供給量及び天然ガスの供給量のタイムチャートである。図３に示したように、時刻ｔ₀においてガスタービン１が始動されるまでは、燃焼器内筒４１内の雰囲気温度は低くされている。このような状態で、時刻ｔ₀においてガスタービン１が始動されると、まずガスタービン１には天然ガスのみが供給される。天然ガスはアンモニアに比べて燃焼性の高い燃料であるため、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度が低くても、ほぼ完全燃焼させることができる。従って、ガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後に天然ガスのみを供給することにより、ガスタービン１を良好に運転させることができる。

その後、天然ガスの燃焼によりガスタービン１が駆動され、これに伴って燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度が上昇して、ガスタービン１の通常運転時における燃焼器内筒４１周り雰囲気温度とほぼ等しい温度に到達すると、或いはアンモニアの燃焼性がガスタービン１の通常運転時とほぼ等しくなるような運転状態となると、ガスタービン１への天然ガスの供給量の減量が開始されると共に、ガスタービン１へのアンモニアの供給量の増量が開始される（図３中の時刻ｔ₁）。このとき、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度は十分に高温となっているため、ガスタービン１にアンモニアが供給されてもアンモニアは不完全燃焼することなく良好に燃焼せしめられる。

その後、ガスタービン１への天然ガスの供給量は徐々に減少せしめられると共に、ガスタービン１へのアンモニアの供給量は徐々に増加せしめられ、最終的にはアンモニアのみがガスタービン１に供給されるようになる（図中の時刻ｔ₂）。このときも燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度は既に十分に高温となっているため、アンモニアは不完全燃焼することなく良好に燃焼せしめられる。

なお、天然ガスとアンモニアとはその物性が異なるため、ガスタービン１に供給する燃料を急に切り替えると混合気の不完全燃焼が生じてしまう。しかしながら、本実施形態では天然ガス及びアンモニアの供給量を徐々に変化させているため、燃料の切り替え中に不完全燃焼が生じてしまうことが抑制される。

同様に、ガスタービン１の通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する運転領域であるガスタービン１の停止直前にも、ガスタービン１に供給する燃料をアンモニアから天然ガスに切り替えるようにしている。

図４は、ガスタービンの停止直前における燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度、ガスタービン１へのアンモニアの供給量及び天然ガスの供給量のタイムチャートである。図４に示したように、時刻ｔ₃においてガスタービン１の減速が開始されるまでは、ガスタービン１では通常運転が行われており、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度は高く維持されている。ガスタービン１を停止させる場合には、ガスタービン１の減速を開始する前にまずガスタービン１へのアンモニアの供給量の減量が開始されると共に、ガスタービン１への天然ガスの供給量の増量が開始される（図４中の時刻ｔ₃）。このとき、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度は高温のまま維持されるため、ガスタービン１に供給されるアンモニアは不完全燃焼することなく良好に燃焼せしめられる。

その後、ガスタービン１へのアンモニアの供給量は徐々に減少せしめられると共に、ガスタービン１への天然ガスの供給量は徐々に増加せしめられ、最終的には天然ガスのみがガスタービン１に供給されるようになる（図４中の時刻ｔ₄）。

このように天然ガスのみがガスタービン１に供給されるようになってから、ガスタービン１の減速が開始される。ガスタービン１の減速は、ガスタービン１に供給される天然ガスを減量することによって行われるため、ガスタービン１の減速に伴って燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度も徐々に低下せしめられる。最終的にガスタービン１への天然ガスの供給が終了すると、ガスタービン１が停止せしめられる（図４中の時刻ｔ₅）。このように、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度が低下しても、ガスタービン１には天然ガスのみが燃料として供給されていることから、供給された燃料はほぼ完全燃焼することができ、よってガスタービン１を良好に運転させることができる。

このように、本実施形態では、冷間始動時及び冷間始動直後や停止直前等、ガスタービン１の通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する燃焼性悪化運転領域では、ガスタービン１にはアンモニアを供給せずに、天然ガスのみを供給するようにしている。これにより、ガスタービン１でのアンモニアの不完全燃焼を防止することができ、ガスタービン１の周囲に多量のアンモニアが放出されることが防止される。すなわち、本実施形態によれば、主燃料としてアンモニアを使用しながらも、全ての運転領域においてガスタービンを良好に運転させることができる。これにより、従来の発電用ガスタービンの燃料としては全く考えられていなかったアンモニアの直焚きが可能となり、ＣＯ₂の低減、化石燃料の枯渇に大きく貢献することができる。

なお、上記実施形態では、燃焼性悪化運転領域では、天然ガスのみを供給するようにしている。しかしながら、少なくともアンモニアの供給量を減少させて天然ガスの供給量を増大させれば、アンモニアの供給を完全に停止しなくてもガスタービン１でのアンモニアの不完全燃焼を抑制することができる。従って、燃焼性悪化運転領域では、必ずしもアンモニアの供給を完全に停止しなくてもよい。これらをまとめると、本実施形態では、燃焼性悪化運転領域では、通常運転時に比べてガスタービン１に供給する燃料中の天然ガスの割合を増大させるようにすればよい。

また、上記実施形態では、ガスタービン１の通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する燃焼性悪化運転領域の例として冷間始動時及び冷間始動直後や停止直前における運転領域を挙げているが、燃焼性悪化運転領域はこれらに限られない。例えば、燃料としてアンモニアを供給してもアンモニアが不完全にしか気化しない場合が挙げられる。アンモニアの気化が不完全であると、アンモニアの不完全燃焼が生じやすく、よってアンモニアの燃焼性が悪化する。このような時に燃料として天然ガスを用いることで、燃料の不完全燃焼を抑制し、ガスタービン１を良好に運転させることができる。このような運転領域には冷間始動時及び冷間始動直後も含まれる。

また、燃焼性悪化運転領域として、ガスタービン１の通常運転時に比べて燃焼室内筒４１周りの雰囲気温度（燃料燃焼部周りの雰囲気温度）が低い運転領域が挙げられる。燃焼室内筒４周りの雰囲気温度が低いと、上述したようにアンモニアが気化しにくく、よってアンモニアの燃焼性が悪化する。このような時に燃料として天然ガスを用いることで、燃料の不完全燃焼を抑制し、ガスタービン１を良好に運転させることができる。このような運転領域には冷間始動時及び冷間始動直後も含まれる。

さらに、燃焼性悪化運転領域として、ガスタービン１の通常運転時に比べてガスタービン１に供給される燃料量が少ない運転領域等が挙げられる。ガスタービン１に供給される燃料量が少ないと、ヒートロスやアンモニアの気化熱により、燃焼ガスの温度が低くなり、燃焼室内筒４周りの雰囲気温度が低下する。これによりアンモニアの燃焼性が悪化する。このような時に、燃料として天然ガスを用いることで、燃料の不完全燃焼を抑制し、ガスタービン１を良好に運転させることができる。このような運転領域には運転停止直前も含まれる。

また、本実施形態では、ガスタービン１の通常運転時にも、運転中の不測の事態に備えて、ごく少量、例えば燃料全体の総発熱量の３〜１０％程度に相当する量だけ天然ガスを供給し続けるようにしてもよい。これにより、天然ガスの燃焼をパイロットバーナとして用いることが可能となり、核としての火炎を安定的に保持できるのでタービンの予期せぬ停止を防止することができる。また、天然ガスとアンモニアとを噴射するノズルを別個のノズルとした場合、この少量の燃料により高温の燃焼器中に曝されている天然ガス用ノズルを冷却することができるので、ノズルの耐久性を高めることが可能となる。

次に、図５及び図６を参照して、燃焼機４０の両ノズル４３、４４から噴射される燃料中のアンモニアの比率について説明する。以下では、ガスタービンの通常運転時に少量の天然ガスを供給し続ける場合を示している。図５及び図６はそれぞれ冷間始動時・冷間始動直後及び停止直前におけるパイロット燃料及びメイン燃料中のアンモニアと天然ガスとの比率のタイムチャートである。

ガスタービン１の冷間始動時及び冷間始動直後においては、時刻ｔ₀から時刻ｔ₁の間、すなわち、ガスタービン１の始動開始から燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度等が十分に高くなるまでの間、パイロットノズル４３及びメイン予混合ノズル４４からは、共に天然ガスが噴射される。このとき、少量のアンモニアを噴射する場合には、アンモニアはメイン予混合ノズル４４から噴射される。

時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の間、すなわち、燃焼器内筒４１周りの雰囲気温度等が十分に高くなってからガスタービン１へアンモニアのみを供給するようになるまでの間、メイン予混合ノズル４４から噴射される燃料中のアンモニアの割合が徐々に高くされる。このとき、全てのメイン予混合ノズル４４に天然ガスとアンモニアとを混合した燃料を供給すると共にこの燃料中のアンモニアの割合を徐々に高くするようにしてもよいし、複数のメイン予混合ノズル４４から噴射される燃料をメイン予混合ノズル４４毎に段階的に天然ガスからアンモニアに順々に切り替えることによって全てのメイン予混合ノズル４４から噴射される総燃料中のアンモニアの割合を徐々に高くするようにしてもよい。或いは、各燃焼器４０毎に供給する燃料を天然ガスからアンモニアに順々に切り替えるようにしてもよい。最終的に、時刻ｔ₂においては、全てのメイン予混合ノズル４４から噴射される燃料がアンモニアとされる。一方、パイロットノズル４３からは時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の間も天然ガスが噴射される。

時刻ｔ₂以降は、全てのメイン予混合ノズル４４から噴射される燃料が天然ガスとされると共に、パイロットノズル４３から噴射される燃料はそのまま天然ガスのみとされるか、或いは天然ガスとアンモニアとを混合した燃料とされる。

ガスタービンの停止直前には、図６に示したように始動直後と逆の手順で両ノズル４３、４４から噴射される燃料をアンモニアから天然ガスに切り替えた後に、ガスタービン１に供給される総燃料量が減少せしめられる。

なお、上記実施形態では、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料として天然ガスを用いているが、石油等、他の化石燃料を用いてもよいし、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料であれば化石燃料以外の燃料を用いてもよい。

また、上記実施形態では、本発明の運転制御装置を火力発電プラントのガスタービンを制御するのに用いた場合を示しているが、他の用途のガスタービン、例えばポンプ駆動用のガスタービンや、車両、航空機、船舶駆動用のガスタービン等を制御するのに用いることも可能である。

さらに、上記実施形態では、主にアンモニアを燃料として駆動されるタービンを備えたタービン設備がガスタービンとされているが、斯かるタービン設備をボイラを備えた蒸気タービンとすることも可能である。この場合、ガスタービン１の燃焼器４０の代わりにボイラにおいて燃料の燃焼が行われる。

本発明の運転制御装置によって運転が制御されるガスタービンの概略側面図である。ガスタービンの燃焼器の概略拡大図である。ガスタービンの冷間始動時及び始動直後における燃焼器の温度、アンモニアの供給量及び天然ガスの供給量のタイムチャートである。ガスタービンの停止直前における燃焼器の温度、アンモニアの供給量及び天然ガスの供給量のタイムチャートである。ガスタービンの冷間始動時及び始動直後におけるパイロット燃料及びメイン燃料中のアンモニアと天然ガスとの比率のタイムチャートである。ガスタービンの停止直前におけるパイロット燃料及びメイン燃料中のアンモニアと天然ガスとの比率のタイムチャートである。

符号の説明

１ガスタービン
１０出力軸
２０ケーシング
３０圧縮機
４０燃焼器
４１燃焼器内筒
４２燃焼器尾筒
４３パイロットノズル
４４メイン予混合ノズル
５０タービン

Claims

主にアンモニアを燃料として駆動されるガスタービンの運転制御装置において、ガスタービンの通常運転時に比べてアンモニアの燃焼性が悪化する燃焼性悪化運転領域では、通常運転時に比べて、ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を増大させる、ガスタービンの運転制御装置。
前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料は化石燃料である、請求項１に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域は、主燃料としてアンモニアをガスタービンに供給するとアンモニアの気化が不完全となる運転領域である、請求項１又は２に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域は、燃料が燃焼する燃料燃焼部周りの雰囲気温度が通常運転時に比べて低い運転領域である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域は、ガスタービンの始動時又は始動直後における運転領域である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域は、通常運転時に比べてガスタービンに供給される燃料量が少ない運転領域である、請求項１又は２に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域は、ガスタービンの停止直前における運転領域である、請求項１、２及び６のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を変化させる場合には、ガスタービンに供給する前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料を徐々に減量又は増量していく、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域では、ガスタービンにアンモニアを供給しない、請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記燃焼性悪化運転領域では、ガスタービンに前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料のみを供給する、請求項９に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記通常運転時にも、ガスタービンに前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料を供給する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記通常運転時には、燃料の総発熱量の３〜１０％に対応する量の前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料をガスタービンに供給する、請求項１１に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記ガスタービンは、燃料及び空気が供給されてこれらの混合気が燃焼せしめられる燃焼器を具備し、該燃焼器は混合気の燃焼領域に拡散燃焼用の燃料を噴射するパイロット噴孔と、該燃焼領域に予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメイン噴孔とを備え、ガスタービンにアンモニア及び前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の両方を供給する時にはアンモニアはメイン噴孔から噴射される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記パイロット噴孔からは常に前記アンモニアよりも燃焼性の高い燃料が供給される、請求項１３に記載のガスタービンの運転制御装置。
前記ガスタービンは、燃料及び空気が供給されてこれらの混合気が燃焼せしめられる燃焼器を具備し、該燃焼器は混合気の燃焼領域に拡散燃焼用の燃料を噴射するパイロット噴孔と、該燃焼領域に予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメイン噴孔とを備え、前記ガスタービンに供給する燃料中の、アンモニアよりも燃焼性の高い燃料の割合を変化させる場合には、複数のメイン噴孔から噴射される燃料がメイン噴孔毎に段階的に切り替えられる、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置。
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のガスタービンの運転制御装置によって制御されるガスタービンを備えた火力発電プラント。