JP2010174767A - ガスタービン，ガスタービンの制御装置及びガスタービンの点火制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、万が一点火失敗時にも排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制することにある。
【解決手段】本発明は、燃料中の水素含有量を推定する手段と、圧縮機内を流れる空気の一部を抽気する分岐系統と、分岐系統を流れる空気の流量を調節する流量制御機構と、ガスタービンの点火時に、推定手段から得られる燃料中の水素含有量に応じた分岐系統を流れる空気の流量を算出し、流量制御装置に制御信号を出力する分岐系統の空気流量算出部を有した制御装置とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービン，ガスタービンの制御装置及びガスタービンの点火制御方法に関する。

製鉄プロセスから発生するコークス炉ガスや高炉ガス，石油精製プロセスから発生する副生ガスなどは、数％から数十％程度の水素ガスを含む。これらのガスを有効利用するための一手段として、ガスタービンで燃焼させ、発電する方法が挙げられる。

ここで、水素ガスは天然ガスに比べ、希薄可燃限界が小さいという特徴がある。例えば、天然ガスの主成分であるメタンの希薄可燃限界は、体積濃度で５％程度であり、化学量論比の約１／２である。一方、水素ガスの希薄可燃限界は、体積濃度で４％程度であり、化学量論比の約１／７と小さい。即ち、水素ガスが希薄状態でも燃焼しやすいことを示している。そのため、水素ガスを含有する燃料をガスタービンで使用する際には、軽油などの比較的安全な起動用燃料を利用して点火を行った後、水素含有燃料に切り換えて使用している（特許文献１）。

特開２００７−３３０２２号公報

起動用燃料を用いて起動する場合、点火を失敗した際に、排気ダクトなど予期しない場所の燃空比が希薄可燃限界を超え、排気ダクトで燃料が燃焼するおそれがあった。

そこで本発明の目的は、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、万が一点火に失敗した時に、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制することにある。

本発明は、燃料中の水素含有量を推定する手段と、圧縮機内を流れる空気の一部を抽気する分岐系統と、分岐系統を流れる空気の流量を調節する流量制御機構と、ガスタービンの点火時に、推定手段から得られる燃料中の水素含有量に応じた分岐系統を流れる空気の流量を算出し、流量制御装置に制御信号を出力する分岐系統の空気流量算出部を有した制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、万が一点火に失敗した時に、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制できる。

実施例１に係るガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。 実施例１に係るガスタービン制御装置の構成を表すシステムブロック図である。 実施例２に係るガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。 実施例２に係るガスタービン制御装置の構成を表すシステムブロック図である。 実施例３に係るガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。 実施例３に係るガスタービン制御装置の構成を表すシステムブロック図である。 ガスタービン燃焼器の構造である。

まず、天然ガスなどを燃料とする通常のガスタービンにおいて、燃焼器の点火制御方法を説明する。

天然ガスなどを燃料とする通常のガスタービンは、点火時に、起動用モータなどの補助動力を用いて、ガスタービンの回転数を定格回転数の数分の一程度の低速回転とする。そして、燃焼器に燃料を供給し、点火栓によって点火する。このとき、燃焼器に供給される燃料と空気の比率は、化学量論比の半分以下である燃料希薄状態に設定される。点火時において、燃焼器に供給される燃料と空気の比率を燃料希薄状態とする理由は、万が一、点火栓による点火を失敗した場合に、ガスタービン下流側の排気ダクト内において、燃料と空気の比率を希薄可燃限界以下に保持するためである。そして、点火失敗時にも、燃料が排気ダクト内で燃焼することを防止できる。

図７は、ガスタービン燃焼器の構造を示す。圧縮機１で圧縮された空気１０１は、デフューザ３１を通って燃焼器２に流入し、外筒２３と燃焼器ライナ２４の間を通過する。その空気１０１の一部は、燃焼器ライナ２４の冷却空気２５として燃焼室２１に流入する。また、その空気１０１の残りは空気流２７として燃焼空気孔２６を通り燃焼室２１に流入する。燃焼室２１と燃料ノズル２２との間には、燃焼空気孔２６を設けた盤状部材２０が配置されている。図７では、盤状部材２０に設けられた燃焼空気孔２６がバーナーを構成する。

図７のガスタービン燃焼器において、点火栓が挿入されてガスタービン燃焼器に点火される時、バーナーから燃焼室２１に供給される空気流量は、燃焼器に流入する空気１０１の全量に比べ、おおよそ１／２〜３／４程度である。残りの空気１０１は、燃焼器ライナ２４に設けられた冷却孔や希釈孔を通じて、冷却空気２５として燃焼室２１に流入する。そのため、燃焼室上流側のバーナー近傍は、燃料と空気の比率（すなわち、燃空比）が希薄可燃限界以上となる。そして、点火栓による点火が可能な条件となる。

以上のような点火制御方法により、燃焼室上流側が点火栓による点火を可能とする燃料の濃い状態になると同時に、タービンより下流側の排気ダクトは燃料濃度を希薄可燃限界以下に保持する。したがって、燃焼器の確実な点火と、予期しない場所における燃料の燃焼を防ぐことを両立させている。

これに対し、コークス炉ガスや高炉ガス、または、石油精製プロセスから発生する副生ガスなどは、それらの組成中に水素ガスを含む。前述のように、水素ガスの希薄可燃限界は小さいため、点火失敗時に、排気ダクト内部の水素ガス濃度が希薄可燃限界を予期せず超えてしまう可能性がある。水素ガス濃度が希薄可燃限界を超えると、水素ガスが排気ダクト内部で燃焼する。そのため、水素ガスが排気ダクト内部で燃焼することを防止するためには、点火時に、燃焼室上流側をより燃料希薄な条件としなければならない。しかし、燃焼器の点火条件が希薄すぎると、燃焼室内上流側での爆発力も小さくなり、点火失敗の確率が高くなる。そのため、水素ガス含有燃料で燃焼器を点火する際にも、着火を確実に行うとともに、予期しない場所で燃料が着火することを予防することが求められている。

図１は、実施例１に係るガスタービンの構成を表すシステムフロー図である。

発電用ガスタービンは、圧縮機１，燃焼器２，タービン３を備え、タービン３の出力により発電機４を回転させ電力を得る。

圧縮機１は空気１００（大気圧）を圧縮し、高圧の空気１０１を生成する。空気１０１は燃焼器２へ流入し、燃料の燃焼に使用される。燃焼器２内で生じた燃焼ガス１０３は、タービン３へと送られ、タービン３を駆動する。タービン３を出たタービン排気ガス１０４は、排気ダクト５を通って、排気塔６から大気中へと放出（１０５）される。タービン３で得られた駆動力はシャフト７ａを通じて圧縮機１に伝えられ、空気の加圧に用いられる。また、シャフト７ｂを通じて発電機４に伝えられ、電力に変換される。タービン３によって駆動される機械は、ポンプやスクリューなど、発電機４以外の機械であってもよい。

ここで、本実施例の圧縮機１は、圧縮機内部を流れる空気の一部を抽気する分岐系統１１０を有する。分岐系統１１０は、分岐空気流量制御機構１１１を介して、タービン３より下流側の排気ダクト５に配管されている。分岐系統１１０の目的は、分岐空気流量を増加させることにより、燃焼器２に流入する空気１０１を減少させ、少量の燃料で燃焼器２の点火を可能にすることである。したがって、分岐系統１１０は燃焼器の上流から下流まで、燃焼器をバイパスするように構成されていればよい。

次に、このガスタービンの起動方法について説明する。

まず、起動装置８によって、タービン回転数が定格回転数の数分の一程度の低速回転数となるように、圧縮機１を回転させる。（なお、本実施例では、タービンと圧縮機が一軸で連結されている。そのため、タービンと圧縮機の回転数は同じである。）このとき、タービンの回転部分には回転数検出器１１が設けられており、回転数４１０が図２に示した制御装置１２へ送られる。タービン回転数が予め設定された回転数に達した後、一定時間回転を継続するパージ運転を行う。このとき、圧縮機１から送り出された空気が、燃焼器２及びタービン３を経て排気塔６まで流れ、排気ダクト５の未燃燃料を外部へ排出させる。したがって、点火時に、排気ダクト５において予期せぬ燃焼などを防止できる。

パージ運転終了後、燃料２００は、燃料流量制御弁２０１で流量を調整されて、燃焼器２の燃焼室内へ流入する。それと同時に、点火栓９が燃焼室内へ挿入されて、点火が行われる。ここで、燃料配管に水素含有量検知手段１０が配置されている。水素含有量検知手段１０は、例えば、配管中のガスの一部を吸引して、ガスクロマトグラフや質量分析計、あるいは熱量計などによって、水素濃度を推定する手段が考えられる。さらに簡便には、燃料取引時の書類に記載されている組成や発熱量から推定した水素濃度を、予め制御装置に入力しておくマニュアル操作でもよい。

図２は、ガスタービンの制御装置を示す。

水素含有量検知手段１０によって求められた水素含有量４００は、制御器４０１及び制御器４１１に入力される。

点火燃料流量算出部は、制御器４０１を有する。制御器４０１は、水素含有量に応じた点火燃料減少分４０２を求める。点火燃料減少分４０２は、標準的な燃料（例えば、メタンを主成分とした天然ガスなど水素含有量が小さいガス燃料）を点火させる際に必要な点火燃料流量４０３との差分を表す。減算器４０４は、点火燃料流量４０３から点火燃料減少分４０２を減算し、点火燃料指令値４０５を算出する。そして、点火燃料指令値４０５に基づき、図１の燃料流量制御弁２０１に対して開度信号４０６を発する。ここで、制御器４０１は、水素含有量４００が少ない場合は点火燃料減少分４０２を小さくし、水素含有量４００が多い場合は点火燃料減少分４０２も大きくなるように、水素含有量４００と点火燃料減少分４０２の関係が設定されている。

以上の燃料流量制御と並行して、以下の空気流量制御を行う。

分岐系統の空気流量算出部は、制御器４１１を有する。制御器４１１は、水素含有量４００に応じた分岐弁開度増加分４１２を求める。一方、標準的な燃料を燃焼させる際に、分岐系統１１０に流れる空気の流量を確保するために必要な分岐弁開度４１３は、回転数４１０の関数で算出される。加算器４１４は、分岐弁開度４１３及び分岐弁開度増加分４１２を加算し、最終的な分岐弁開度指令値４１５を算出する。そして、加算器４１４は、分岐弁開度指令値４１５を分岐空気流量制御機構１１１に送信する。ここで、制御器４１１は、水素含有量４００が少ない場合は分岐弁開度増加分４１２を小さくし、水素含有量４００が多い場合は分岐弁開度増加分４１２も大きくなるように、水素含有量４００及び分岐弁開度増加分４１２の関係が設定されている。

このようにガスタービンの点火時に、制御装置１２は、水素含有量検知手段１０から得られる燃料中の水素含有量に応じ、分岐系統１１０を流れる空気の流量を分岐弁開度指令値として算出し、分岐空気流量制御機構１１１に指令値を送信する。また、制御器４１１では、燃料の水素含有量４００が多い場合、分岐空気１０２の流量を増加させるため、燃焼器下流側の排気ダクト５に通常より多くの空気が供給される。そのため、燃焼器２内の燃空比に対して、排気ダクト５内の燃空比は小さくなる。燃料の水素含有量４００が多いほど、排気ダクト５内の燃空比は小さくなる。したがって、万が一点火失敗時にも、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制できる。

更に、制御器４０１は、水素含有量４００が多い場合、点火燃料減少分４０２が大きくなるように設定されている。そのため、燃焼器２に供給される燃料流量は少なくなる。また、水素含有量４００が多い場合、分岐空気１０２の流量が増加すると共に、燃焼器に流入する空気１０１の流量は減少する。

また、水素含有量４００が少ない場合、燃焼器２に供給される燃料流量は多くなると共に、分岐空気流量は減少させ、燃焼器に流入する空気１０１の流量は増加する。このように、制御器４０１及び制御器４１１を備えることにより、燃焼器のバーナー近傍の燃空比は確実に点火可能な値となる。

したがって、万が一点火失敗時に、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制できると同時に、燃焼器２内の燃料と空気の比率（燃空比）を、確実に点火可能な燃空比に保つことが可能になる。

以上のような構成及び制御器により、いかなる水素含有量に対しても、点火栓による点火を可能とする燃料の濃い状態を燃焼器上流側に生じさせると同時に、タービン下流での燃料濃度は希薄可燃限界以下に保持できる。そのため、確実に点火できると共に、万が一の際に、予期しない場所（排気ダクトなど）で燃料が燃焼することを抑制でき、信頼性，安全性が向上する。

また、水素ガス含有燃料を用いた点火が可能となるため、都市ガスや軽油などの点火・起動用燃料を別途用いる必要がなくなり、設備のコスト低減が図れる。さらに、起動途中に、起動用燃料から水素ガス含有燃料に切り換える操作も不要となることから、設備の取り扱いが容易になり、起動時間の短縮が図れる。

そして、分岐系統１１０は、以下の変形例も考えられる。

第１に、分岐系統１１０の取り出し口を、圧縮機１の下流側流路に設けることもできる。上述したように、分岐系統１１０は燃焼器の上流から下流をバイパスするように構成されていれば、本実施例の効果は得られる。

この場合、分岐系統１１０の取り出し口は、外筒２３に設ける。圧縮機１の下流側は、燃焼器尾筒２８を格納する空間となっており、圧縮機中間段よりも広い空間を確保しやすい。そのため、分岐系統１１０の取り出し口を圧縮機１の下流側流路に設けることで、分岐系統１１０の取り出し口３２を設けやすい利点がある。

第２に、燃焼器尾筒２８を貫通する穴を設けると共に、分岐空気流量制御機構１１１を外筒２３の内部に設けることもできる。即ち、燃焼器尾筒２８を貫通する穴が、燃焼器の上流から下流をバイパスする流路（分岐系統１１０）となる。このような構成とすることにより、外筒２３及び燃焼器尾筒２８との間の空間に、分岐系統１１０および分岐空気流量制御機構１１１をコンパクトに格納することができる。この場合も、分岐系統１１０は燃焼器の上流から下流までバイパスするように構成されているため、本実施例の効果は得られる。

図３は、実施例２に係るガスタービンの構成を表すシステムフロー図である。図４は、実施例２におけるガスタービンの制御装置を示す。

実施例２が実施例１と異なる点は、制御装置１２において、水素含有量４００に基づき点火時の回転数指令値を求める装置を備えた点である。

ガスタービン回転数算出部は、制御器４２１を有する。制御器４２１は、水素含有量検知手段１０によって求められた水素含有量４００をもとに、回転数増加分４２２を算出する。点火回転数４２３は、標準的な燃料に対して予め設定されている。そのため、加算器４２４が、点火回転数４２３及び回転数増加分４２２の和である点火回転数指令値４２５を算出する。そして、加算器４２４が起動装置８に点火回転数指令値４２５を送信する。ここで、制御器４２１は、水素含有量４００が少ない場合、回転数増加分４２２を小さくし、水素含有量４００が多い場合、回転数増加分４２２も大きくなるように、水素含有量４００及び回転数増加分４２２の関係が設定されている。

以上の回転数制御と並行して、実施例１で述べた分岐空気流量制御を行う。その方法は、実施例１と同様であるので、説明は省略する。なお、本実施例においても、制御器４１１は、水素含有量４００が少ない場合、分岐弁開度増加分４１２を小さくし、水素含有量４００が多い場合、分岐弁開度増加分４１２も大きくなるように設定されている。

以上の制御を行うことで、燃料の水素含有量４００が多い場合、点火回転数指令値４２５によって圧縮機回転数を増加させ、圧縮機１に吸込まれる空気１００の流量は多くなる。また、分岐弁開度指令値４１５によって分岐空気１０２の流量も増加する。したがって、制御器４２１及び４１１の設定を適切に行うことで、これらの効果が相殺されて、燃焼器に流入する空気１０１の流量は水素含有量によらずほぼ一定となる。本実施例において、点火燃料指令値は、水素含有量４００の大小に関わらず一定である。そのため、燃焼器２内の燃料と空気の比率（燃空比）はほぼ一定となり、点火を確実に行うことが可能である。

また、燃焼器下流側の排気ダクト５は、水素含有量４００が多い場合、分岐空気１０２の流量が増加する。そのため、燃焼器２内の燃空比に対して、排気ダクト５内の燃空比は小さくなる。水素含有量４００が多いほど、排気ダクト５内の燃空比は小さくなる。そのため、万が一点火失敗時にも、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制できる。

以上のような構成及び制御器により、いかなる水素含有量に対しても、点火栓による点火を可能とする燃料の濃い状態を燃焼器上流側に生じさせると同時に、タービン下流での燃料濃度は希薄可燃限界以下に保持することで、確実に点火できると共に、万が一の際に、予期しない場所（排気ダクトなど）で燃料が燃焼することを抑制でき、信頼性，安全性が向上する。

図５は、実施例３に係るガスタービンの構成を表すシステムフロー図である。図６は、実施例３におけるガスタービンの制御装置を示す。

実施例３が実施例１と異なる点は、圧縮機１の上流側に設けられた、圧縮機吸込み空気１００の流量を調整する吸込み空気流量制御機構１１２と、水素含有量４００に対応して点火時の圧縮機が吸込む空気量を調整する制御器４３１とを設けた点にある。

圧縮機吸込み空気流量算出部は、制御器４３１を有する。制御器４３１は、水素含有量検知手段１０によって求められた水素含有量４００に応じた吸込み弁開度増加分４３２を算出する。なお、標準的な燃料を使用した場合に圧縮機１が吸込む空気量を規定する吸込弁開度４３３は、回転数４１０の関数として予め設定されている。加算器４３４は、吸込弁開度４３３及び吸込み弁開度増加分４３２の和である吸込み弁開度指令値４３５を算出し、吸込み空気流量制御機構１１２にこの指令値４３５を送信する。ここで、制御器４３１は、水素含有量４００が少ない場合、吸込み弁開度増加分４３２は小さくし、水素含有量４００が多い場合、吸込み弁開度増加分４３２も大きくなるように、水素含有量４００及び吸込み弁開度増加分４３２の関係が設定されている。

以上の圧縮機吸込み空気流量の制御と並行して、実施例１で述べた分岐空気流量制御を行う。その方法は、実施例１と同様であるので、説明は省略する。本実施例においても、制御器４１１は、水素含有量４００が少ない場合、分岐弁開度増加分４１２は小さく、水素含有量４００が多い場合、分岐弁開度増加分４１２も大きくなるように、水素含有量４００及び分岐弁開度増加分４１２の関係が設定されている。

以上の制御を行うことで、水素含有量４００が多い場合、吸込み弁開度指令値４３５によって吸込み弁開度が大きくなるため、圧縮機１に吸込まれる空気１００の流量は多くなる。また、分岐弁開度指令値４１５によって分岐弁開度も大きくなり、分岐空気１０２の流量も増加する。したがって、制御器４３１及び４１１の設定を適切に行うことで、これらの効果が相殺されて、燃焼器に流入する空気１０１の流量は水素含有量によらずほぼ一定となる。本実施例において、点火燃料指令値は、水素含有量４００の大小に関わらず一定である。そのため、燃焼器２内の燃料と空気の比率（燃空比）はほぼ一定となり、点火を確実に行うことが可能である。

また、燃料の水素含有量４００が多い場合、分岐空気１０２の流量が増加する。そのため、燃焼器下流側の排気ダクト５の燃空比は、燃焼器２内の燃空比に対して小さくなる。水素含有量４００が多いほど、排気ダクト５内の燃空比は小さくなるため、万が一点火失敗時にも、水素ガスを含有する燃料を使用するガスタービンが、排気ダクト内で燃料が燃焼することを抑制できる。

以上のような構成及び制御器により、いかなる水素含有量に対しても、点火栓による点火を可能とする燃料の濃い状態を燃焼器上流側に生じさせると同時に、タービン下流での燃料濃度は希薄可燃限界以下に保持することで、確実に点火できると共に、万が一の際に、予期しない場所（排気ダクトなど）で燃料が燃焼することを抑制でき、信頼性，安全性が向上する。

製鉄プロセスから発生するコークス炉ガスや高炉ガス、または、石油精製プロセスから発生する副生ガスなど、組成中に水素ガスを含むガスを有効利用するためのガスタービンとして発電に利用できるほか、上記燃料を用いて熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、あるいはポンプ・圧縮機・スクリューなどの機械駆動用エンジンとしても適用可能である。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 発電機
５ 排気ダクト
６ 排気塔
７ シャフト
８ 起動装置
９ 点火栓
１０ 水素含有量検知手段
１１ 回転数検出器
１２ 制御装置
１００，１０１ 空気
１０２ 分岐空気
１０３ 燃焼ガス
１０４ タービン排気ガス
１０５ 排気筒排気ガス
１１０ 分岐系統
１１１ 分岐空気流量制御機構
１１２ 吸込み空気流量調節機構
２００ 燃料
２０１ 燃料流量制御弁
４００ 水素含有量

Claims (6)

1. 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と水素ガスを含有する燃料と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を備えたガスタービンであって、
   前記燃料中の水素含有量を検知する手段と、
   前記圧縮された空気の一部を抽気する分岐系統と、
   前記分岐系統を流れる空気の流量を調節する流量制御機構と、
   前記ガスタービンの点火時に、前記検知手段から得られる前記燃料中の水素含有量に応じた前記分岐系統を流れる空気の流量を算出し、前記流量制御装置に制御信号を出力する分岐系統の空気流量算出部を有した制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン。
2. 請求項１に記載のガスタービンであって、
   ガスタービンの回転数制御機構と、
   前記ガスタービンの点火時に、前記推定手段から得られる前記燃料中の水素ガス含有量に応じたガスタービン回転数を算出するガスタービン回転数算出部を有した制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン。
3. 請求項１に記載のガスタービンであって、
   前記圧縮機の吸込み空気流量制御機構と、
   前記ガスタービンの点火時に、前記推定手段から得られる前記燃料中の水素ガス含有量に応じた前記圧縮機の吸込み空気流量を算出する圧縮機吸込み空気流量算出部を有した制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン。
4. 請求項１乃至３に記載のガスタービンであって、
   前記燃料中の水素ガス含有量が小さい場合、前記分岐系統を流れる空気の流量も小さくなるように、
   前記燃料中の水素ガス含有量が大きい場合、前記分岐系統を流れる空気の流量も大きくなるように調節することを特徴とするガスタービン。
5. 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と水素ガスを含有する燃料と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、前記圧縮された空気の一部を抽気する分岐系統とを備えたガスタービンの制御装置であって、
   前記ガスタービンの点火時に、前記水素ガスを含有する燃料の水素含有量に応じ、前記分岐系統を流れる空気の流量を算出する分岐系統の空気流量算出部を有することを特徴とするガスタービンの制御装置。
6. 圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と水素ガスを含有する燃料と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、前記圧縮された空気の一部を抽気する分岐系統とを備えたガスタービンの点火制御方法であって、
   前記ガスタービンの点火時に、前記水素ガスを含有する燃料の水素含有量に応じ、前記分岐系統を流れる空気の流量を調節することを特徴とするガスタービンの点火制御方法。

Images