JP2015021465A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤の供給配管の酸化を抑制するとともに、一酸化炭素の排出濃度を低減することができるガスタービン設備を提供する。
【解決手段】実施形態のガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２１と、タービン２１から排出された燃焼ガスを冷却する熱交換器２３と、熱交換器２３を通過した燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ燃焼ガスとする熱交換器２４とを備える。さらに、ガスタービン設備１０は、ドライ燃焼ガスの一部を、酸化剤を供給する配管４２に導く配管４１と、酸化剤およびドライ燃焼ガスからなる混合ガスを、熱交換器２３を通して燃焼器２０に導く配管４３と、ドライ燃焼ガスの他の一部を作動流体として熱交換器２３を通して燃焼器２０に導く配管４５と、ドライ燃焼ガスの残部を外部に排出する配管４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン設備に関する。

発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンや蒸気タービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。

図５は、燃焼器において生成した二酸化炭素の一部を作動流体として循環させる、従来のガスタービン設備の系統図である。図５に示すように、空気分離機（図示しない）から分離された酸素は、圧縮機３１０によって昇圧され、流量調節弁３１１によって流量が制御される。流量調節弁３１１を通過した酸素は、熱交換器３１２において燃焼ガスからの熱量を受けて加熱され、燃焼器３１３に供給される。

燃料は、流量調節弁３１４によって流量が調節され、燃焼器３１３に供給される。この燃料は、炭化水素である。燃料および酸素は、燃焼器３１３内で反応（燃焼）する。燃料が酸素と燃焼すると、燃焼ガスとして二酸化炭素と水蒸気が生成する。燃料および酸素の流量は、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整されている。

燃焼器３１３で生成した燃焼ガスは、タービン３１５に導入される。タービン３１５において膨張仕事をした燃焼ガスは、熱交換器３１２を通り、さらに、熱交換器３１６を通る。熱交換器３１６を通る際、水蒸気が凝縮して水となる。水は、配管３１９を通り外部に排出される。

水蒸気と分離された二酸化炭素は、圧縮機３１７で昇圧される。昇圧された二酸化炭素の一部は、流量調節弁３１８によって流量が調節され、外部に排出される。二酸化炭素の残りは、熱交換器３１２において加熱され、燃焼器３１３に供給される。

ここで、燃焼器３１３に供給される二酸化炭素は、燃焼器３１３の壁面の冷却、燃焼ガスの希釈に使用される。そして、二酸化炭素は、燃焼器３１３内に導入され、燃焼ガスとともにタービン３１５に導入される。

上記した系統において、燃焼器３１３に供給された炭化水素と酸素とによって生成された二酸化炭素と水は、系統の外部に排出される。そして、残りの二酸化炭素は、系統内を循環する。

特開２０００−３３７１０７号公報

上記した従来のガスタービン設備においては、酸素は、圧縮機３１０によって高圧となり、さらに熱交換器３１２を通過することで高温となる。酸素の濃度が高く、かつ酸素の温度が高温の場合、酸化剤の供給配管の金属酸化を促進することがある。

また、上記したように、燃料および酸素の流量は、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比となるように調整されているため、燃焼ガスの温度は、高温となる。そのため、燃焼によって生成された二酸化炭素は、熱解離し、一酸化炭素とある濃度で平衡状態となる。この一酸化炭素の濃度は、燃焼ガスの温度が高いほど高くなる。

この一酸化炭素の濃度が高い領域に、圧縮機３１７で昇圧された二酸化炭素が導入されると、燃焼温度が低下する。これによって、一酸化炭素が酸化されないまま燃焼器３１３から排出されるという問題が生ずる。

本発明が解決しようとする課題は、酸化剤の供給配管の酸化を抑制するとともに、一酸化炭素の排出濃度を低減することができるガスタービン設備を提供するものである。

実施形態のガスタービン設備は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動するタービンと、前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過した前記燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ燃焼ガスとする水蒸気除去器とを備える。

さらに、ガスタービン設備は、前記ドライ燃焼ガスの一部を、前記酸化剤を供給する酸化剤供給管に導くドライ燃焼ガス供給管と、前記酸化剤および前記ドライ燃焼ガスからなる混合ガスを、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導く混合ガス供給管と、前記ドライ燃焼ガスの他の一部を前記タービンの作動流体として前記熱交換器を通して前記燃焼器に導く作動流体供給管と、前記ドライ燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管とを備える。

実施の形態のガスタービン設備の系統図である。 混合ガスに対する酸素の質量割合を変化させたときの、当量比に対する最大燃焼ガス温度を示す図である。 混合ガスに対する酸素の質量割合を変化させたときの、当量比に対する一酸化炭素の濃度を示す図である。 混合ガスに対する酸素の質量割合および最大燃焼ガス温度に基づいて、安定燃焼域を示した図である。 燃焼器において生成した二酸化炭素の一部を作動流体として循環させる、従来のガスタービン設備の系統図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態のガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、この燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２１とを備えている。タービン２１には、例えば、発電機２２が連結されている。なお、ここでいう、燃焼器２０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器２０に供給されて燃焼生成物とともに燃焼器２０から排出される、後述するドライ燃焼ガス（二酸化炭素）とを含んだものである。

タービン２１から排出された燃焼ガスは、熱交換器２３を通過することによって冷却される。熱交換器２３を通過した燃焼ガスは、さらに熱交換器２４を通過する。燃焼ガスは、この熱交換器２４を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去され、ドライ燃焼ガスとなる。ここで、水蒸気は、熱交換器２４を通過することで、凝縮して水となる。水は、例えば配管４６を通り外部に排出される。なお、熱交換器２４は、水蒸気を除去する水蒸気除去器として機能する。

ドライ燃焼ガスの一部は、ドライ燃焼ガスが流れる配管４０から分岐された配管４１に流入する。そして、ドライ燃焼ガスの一部は、配管４１に介在する流量調整弁２６によって流量が調整され、酸化剤を供給する配管４２内に導かれる。配管４２には、酸化剤として、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が流れる。配管４２には、酸化剤の流量を調整する流量調整弁３０が介在している。

なお、配管４１は、ドライ燃焼ガス供給管として、配管４２は、酸化剤供給管として機能する。また、流量調整弁２６は、ドライ燃焼ガス流量調整弁として、流量調整弁３０は、酸化剤流量調整弁として機能する。

ここで、燃料として例えば炭化水素を使用し、燃焼器２０において、燃料および酸素の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整して燃焼させた場合、ドライ燃焼ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、ドライ燃焼ガスには、例えば、０．２％以下の微量の一酸化炭素が混在する場合も含まれる。炭化水素として、例えば、天然ガス、メタンなどが使用される。また、燃料として、石炭ガス化ガスなども利用できる。

酸化剤およびドライ燃焼ガスからなる混合ガスは、配管４３内を流れ、配管４３に介在する圧縮機２５によって昇圧される。昇圧された混合ガスは、熱交換器２３を通過し燃焼器２０に導かれる。なお、配管４３は、混合ガス供給管として機能する。

混合ガスは、熱交換器２３において、タービン２１から排出された燃焼ガスからの熱量を得て加熱される。燃焼器２０に導かれた混合ガスは、配管４４から供給された燃料とともに燃焼領域に導入される。そして、混合ガスの酸化剤と燃料とが燃焼反応を生じ、燃焼ガスを生成する。なお、配管４４には、燃焼器２０に供給する燃料の流量を調整する流量調整弁２７が介在している。

一方、配管４１が分岐した位置よりも下流側の配管４０には、圧縮機２８が介在している。ドライ燃焼ガスのうち、配管４１に分流したもの以外のドライ燃焼ガスは、圧縮機２８によって昇圧され、その一部は、配管４０から分岐された配管４５に流入する。そして、配管４５を流れるドライ燃焼ガスは、配管４５に介在する流量調整弁２９によって流量が調整され、熱交換器２３を通して燃焼器２０に導かれる。なお、配管４５は、作動流体供給管として機能し、流量調整弁２９は、作動流体流量調整弁として機能する。

配管４５を流れるドライ燃焼ガスは、熱交換器２３において、タービン２１から排出された燃焼ガスからの熱量を得て加熱される。燃焼器２０に導かれたドライ燃焼ガスは、例えば、燃焼器ライナの冷却や、希釈孔などから燃焼器ライナ内の燃焼領域の下流側に導入される。このドライ燃焼ガスは、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２１を回動するため、作動流体として機能する。

一方、圧縮機２８によって昇圧されたドライ燃焼ガスの残部は、配管４０の端部から外部に排出される。ドライ燃焼ガスを外部に排出する配管４０の端部は、排出管としても機能する。

ガスタービン設備１０は、配管４４を流れる燃料の流量を検知する流量検知部５０、配管４２を流れる酸化剤の流量を検知する流量検知部５１、配管４１を流れるドライ燃焼ガスの流量を検知する流量検知部５２、配管４５を流れるドライ燃焼ガス（作動流体）の流量を検知する流量検知部５３を備えている。各流量検知部は、例えば、ベンチュリ式やコリオリ式などの流量計で構成される。

ここで、流量検知部５０は、燃料流量検知部として、流量検知部５１は、酸化剤流量検知部として、流量検知部５２は、ドライ燃焼ガス流量検知部として、流量検知部５３は、作動流体流量検知部として機能する。

ガスタービン設備１０は、上記した各流量検知部５０、５１、５２、５３からの検知信号に基づいて、各流量調整弁２６、２７、２９、３０の開度を制御する制御部６０を備えている。この制御部６０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの記憶手段、出入力手段などを主に備えている。ＣＰＵでは、例えば、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。

出入力手段は、外部機器から電気信号を入力したり、外部機器に電気信号を出力する。具体的には、出入力手段は、各流量検知部５０、５１、５２、５３、各流量調整弁２６、２７、２９、３０などと各種信号の出入力が可能に接続されている。この制御部６０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。

ここで、配管４３を流れる混合ガスにおいて、混合ガスに対する酸化剤の割合を１５〜４０質量％とすることが好ましい。また、混合ガスに対する酸化剤の割合を２０〜３０質量％とすることがより好ましい。なお、混合ガスは、ドライ燃焼ガス（二酸化炭素）および酸化剤（酸素）で構成される。

以下に、混合ガスに対する酸化剤（酸素）の割合を上記範囲とすることが好ましい理由を説明する。

図２は、混合ガスに対する酸素の質量割合を変化させたときの、当量比に対する最大燃焼ガス温度を示す図である。図２において、最大燃焼ガス温度とは、断熱火炎温度である。図３は、混合ガスに対する酸素の質量割合を変化させたときの、当量比に対する一酸化炭素の濃度を示す図である。図３において、一酸化炭素の濃度、すなわち縦軸は対数で示されている。また、一酸化炭素の濃度は、各条件の断熱火炎温度における平衡組成値である。図４は、混合ガスに対する酸素の質量割合および最大燃焼ガス温度に基づいて、安定燃焼域を示した図である。図４では、設定当量比は１とし、例えば、流量変動などによる設定当量比の常運転時の変動幅を実線で示している。また、図４において、安定燃焼域は、安定燃焼限界における最大燃焼ガス温度以上となる領域である。

なお、図２〜図４は、燃料としてメタン（ＣＨ_４）を用いて計算した例である。また、図２および図３における当量比は、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比である。

図２に示すように、酸素の割合が大きくなるに伴い、最大燃焼ガス温度が高くなる。例えば、同じ当量比で比較した場合、燃焼器２０に供給される、燃料、酸素、二酸化炭素の流量は同じである。そのため、酸素濃度が異なるということは、酸素と混合するドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量が異なることを意味する。

例えば、酸素の割合が小さい場合、混合するドライ燃焼ガスの流量は大きいため、配管４５を介して燃焼器２０に流入するドライ燃焼ガス（作動流体）の流量は小さくなる。一方、酸素の割合が大きい場合、混合するドライ燃焼ガスの流量は小さいため、配管４５を介して燃焼器２０に流入するドライ燃焼ガス（作動流体）の流量は大きくなる。すなわち、燃料とともに燃焼領域に噴出される混合ガスにおける酸素の割合が異なると、燃焼器２０の出口における燃焼ガスの温度は同一でも、燃焼領域における最大燃焼ガス温度（断熱火炎温度）は、大きく異なることがわかる。

図３に示すように、酸素の割合が大きくなるに伴い、一酸化炭素の濃度が増加している。これは、酸素の割合が大きくなるに伴って火炎温度が高くなり、燃焼域における一酸化炭素の平衡組成値が増加するためである。一酸化炭素の濃度を許容値以下にするためには、酸素の割合を４０質量％以下にする必要がある。一酸化炭素の濃度をより低減する観点からは、酸素の割合を３０質量％以下にすることがより好ましい。なお、一酸化炭素の濃度の許容値は、例えば、所定以上の燃焼効率が得られる濃度に設定される。

酸素の割合を４０質量％以下にすることで、例えば、希釈孔などから燃焼器ライナ内の燃焼領域の下流側に導入されたドライ燃焼ガスによって、一酸化炭素の酸化が促進されない場合においても、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低くすることができる。

燃焼域において、安定した燃焼を維持するためには、最大燃焼ガス温度を安定燃焼限界となる温度以上に設定する必要がある。図４に示すように、設定当量比は１とし、変動幅を考慮した場合、酸素の割合は１５質量％以上にする必要がある。より安定した燃焼を得るためには、酸素の割合を２０質量％以上にすることがより好ましい。

ここで、安定燃焼限界は、例えば、火炎の保炎性が悪化、または火炎の吹き飛びが生じる最大燃焼ガス温度に基づいて設定される。

図２〜図３に示した結果から、安定した燃焼を維持しつつ、一酸化炭素の濃度を低減するためには、混合ガスに対する酸化剤の割合を１５〜４０質量％とすることが好ましい。また、混合ガスに対する酸化剤の割合を２０〜３０質量％とすることがより好ましい。

また、配管４３において、純酸素を流すよりも、ドライ燃焼ガス（二酸化炭素）を混合して流す方が配管の酸化を抑制することができる。

ここで、例えば、熱交換器２３を通過した酸化剤に、熱交換器２３を通過する前のドライ燃焼ガスを混合するように配管を構成した場合、高温流体に低温流体を吹き込むことになり、混合部の配管に熱応力が発生することがある。また、例えば、配管４５を分岐して、熱交換器２３を通過した酸化剤に、熱交換器２３を通過したドライ燃焼ガスを混合するように配管を構成した場合、分岐管に流量調節弁を備える必要がある。しかしながら、分岐管には、高温のドライ燃焼ガスが流れるため、高温用の弁を使用しなければならず、設備コストが増加する。

そこで、図１に示したように、酸化剤とドライ燃焼ガスとを混合する位置を熱交換器２３よりも上流側となるように配管を構成することで、混合部の配管における過大な応力の発生や設備コストの増大を防止することができる。

次に、燃焼器２０に供給される、酸素およびドライ燃焼ガス（二酸化炭素）からなる混合ガス、燃料、作動流体としてのドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量調整に係る動作について、図１を参照して説明する。

ガスタービン設備１０の運転時において、制御部６０は、流量検知部５０からの出力信号を出入力手段を介して入力する。入力した出力信号に基づいて、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて演算装置において、当量比を１とするために必要な酸素流量を算出する。なお、燃料流量は、例えば、要求されるガスタービン出力に基づいて、流量調整弁２７の弁開度を調整することで制御される。

ここで、ガスタービン設備１０においては、燃焼器２０から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃焼器２０に供給する燃料および酸素の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整している。

続いて、制御部６０は、出入力手段から入力された流量検知部５１からの出力信号に基づいて、算出した酸素流量が配管４２に流れるように、弁開度を調整するための出力信号を出入力手段から流量調整弁３０に出力する。

続いて、制御部６０の演算装置において、出入力手段から入力された流量検知部５１からの出力信号に基づいて、混合ガスに対する酸化剤の割合が設定値となるように、酸素に混合するドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量を算出する。ここで、設定値は、前述したように１５〜４０質量％となるように設定される。

続いて、制御部６０は、出入力手段から入力された流量検知部５２からの出力信号に基づいて、算出した二酸化炭素流量が配管４１に流れるように、弁開度を調整するための出力信号を出入力手段から流量調整弁２６に出力する。

続いて、制御部６０の演算装置において、出入力手段から入力された流量検知部５０および流量検知部５２からの出力信号に基づいて、燃焼器２０に作動流体として供給するドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量を算出する。なお、ドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量を、流量検知部５１および流量検知部５２からの出力信号に基づいて算出することもできる。

ここで、作動流体として供給するドライ燃焼ガス（二酸化炭素）の流量は、上記したように、例えば、燃焼器２０に供給する燃料の流量および配管４１を流れる二酸化炭素の流量に基づいて定められる。例えば、燃焼器２０において燃料を燃焼させることで生成した二酸化炭素の生成量に相当する分を、排出管として機能する配管４０の終端から外部に排出する。このように、燃料の流量が一定の場合に、例えば、燃焼器２０全体に供給される二酸化炭素の流量を一定とするように制御している。すなわち、燃料の流量が一定の場合に、一定の流量の二酸化炭素が系統内を循環する。

続いて、制御部６０は、出入力手段から入力された流量検知部５３からの出力信号に基づいて、算出した二酸化炭素の流量が配管４５に流れるように、弁開度を調整するための出力信号を出入力手段から流量調整弁２９に出力する。

上記したように制御され、酸素およびドライ燃焼ガス（二酸化炭素）からなる混合ガス、燃料、作動流体としてのドライ燃焼ガス（二酸化炭素）は、燃焼器２０に供給される。このような制御を行うことで、例えば、負荷変動などが生じた場合においても、混合ガスにおける酸素の質量割合を一定としつつ、燃焼器２０に供給される二酸化炭素の流量も一定とすることができる。

上記したように、実施の形態のガスタービン設備１０によれば、酸化剤に、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の一部を混合して、燃焼器２０に供給することで、燃焼ガス温度を低下させることができる。これによって、燃焼器２０において、二酸化炭素の熱解離によって生成する一酸化炭素の生成量を抑制し、一酸化炭素の濃度を低減することができる。また、酸化剤（酸素）にドライ燃焼ガス（二酸化炭素）を混合することで、配管の酸化を抑制することができる。

以上説明した実施形態によれば、酸化剤の供給配管の酸化を抑制するとともに、一酸化炭素の排出濃度を低減することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１…タービン、２２…発電機、２３，２４…熱交換器、２５，２８…圧縮機、２６，２７，２９，３０…流量調整弁、４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６…配管、５０，５１，５２，５３…流量検知部、６０…制御部。

Claims (7)

1. 燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動するタービンと、
   前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した前記燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ燃焼ガスとする水蒸気除去器と、
   前記ドライ燃焼ガスの一部を、前記酸化剤を供給する酸化剤供給管に導くドライ燃焼ガス供給管と、
   前記酸化剤および前記ドライ燃焼ガスからなる混合ガスを、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導く混合ガス供給管と、
   前記ドライ燃焼ガスの他の一部を前記タービンの作動流体として前記熱交換器を通して前記燃焼器に導く作動流体供給管と、
   前記ドライ燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管と
   を具備することを特徴とするガスタービン設備。
2. 前記混合ガスに対する前記酸化剤の割合が１５〜４０質量％であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
3. 前記燃焼器に供給される前記燃料の流量を検知する燃料流量検知部と、
   前記酸化剤供給管を流れる前記酸化剤の流量を検知する酸化剤流量検知部と、
   前記酸化剤供給管を流れる前記酸化剤の流量を調整する酸化剤流量調整弁と、
   前記燃料流量検知部および前記酸化剤流量検知部からの検知信号に基づいて、前記酸化剤流量調整弁の開度を制御する制御部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン設備。
4. 前記ドライ燃焼ガス供給管を流れる前記ドライ燃焼ガスの流量を検知するドライ燃焼ガス流量検知部と、
   前記ドライ燃焼ガス供給管を流れる前記ドライ燃焼ガスの流量を調整するドライ燃焼ガス流量調整弁と
   をさらに具備し、
   前記制御部が、前記酸化剤流量検知部および前記ドライ燃焼ガス流量検知部からの検知信号に基づいて、前記ドライ燃焼ガス流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
5. 前記作動流体供給管を流れる前記作動流体の流量を検知する作動流体流量検知部と、
   前記作動流体供給管を流れる前記作動流体の流量を調整する作動流体流量調整弁と
   をさらに具備し、
   前記制御部が、前記燃料流量検知部、前記ドライ燃焼ガス流量検知部および前記作動流体流量検知部からの検知信号に基づいて、前記作動流体流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項４記載のガスタービン設備。
6. 前記燃料が炭化水素であり、前記酸化剤が酸素であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスタービン設備。
7. 前記ドライ燃焼ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスタービン設備。

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