JP2016508571A - 燃料組成物制御を伴うガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、流入燃料ガス（５）よりも高い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する少なくとも第１の燃料留分（１４）を分離するためのガス分離システム（１６）を含んだ燃料システムを備えた発電プラントに関している。それによって、前記流入燃料ガス（５）よりも低い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分（２０）が供給される。前記流入燃料（５）のための燃料ガス供給管路及び／又は第２の燃料留分（２０）のための燃料管路は、前記燃料ガス（５，２０）を前記燃焼器（４，１５）に供給するために前記ガスタービンの前記燃焼器（４，１５）に接続されている。さらに前記第１の燃料留分（１４）を供給するための燃料管路は、前記燃焼器（４，１５）内へ前記第１の燃料留分（１４）を添加する制御によって燃焼挙動を制御するために前記燃焼器（４，１５）に接続されている。さらに本開示は、高炭化水素燃料の制御された添加によって燃焼挙動を制御する発電プラントの運転方法にも関している。

Description

本発明は、燃料組成物を調整するためのアクティブな措置を伴うガスタービンを動作させる方法並びにガスタービンに関する。

風力や太陽光などの非定常的な再生可能エネルギーによる発電が増えたことにより、ガスタービンベースの既存の発電所は、電力需要のバランスをとるために、及び、送電設備網を安定化するために利用されることが多くなってきている。そのため運転に関する柔軟性の向上が要求される。このことは、ガスタービンが多くの場合設計段階のベース負荷よりも低い負荷で運転されることを意味している。すなわち低い燃焼器入口温度と低い着火温度とで運転されることが多い。所定の限界を下回ると、火炎の安定度が低下して燃え尽きが生じ、火炎損失（リーンブローオフ）や脈動増加（リーンブローオフ前駆体としての低周波脈動）のリスクの高まりと伴にＣＯエミッションも増加する。

それと同時にエミッション制限値および総エミッション許容値もいっそう厳しくなっており、そのため、より低いエミッション値で運転すること、部分負荷運転時および過渡的な運転中も低エミッション値を維持することが要求され、これらは累積放出量を抑えるためにも重要である。

最先端の燃焼システムは、例えば圧縮機入口の質量流量を調節するか、異なるバーナー、燃料段、燃焼器の間の燃料分割を制御することによって、動作条件の特定の変動に対処するように設計されている。しかしながらこれらは、既に組み込まれているエンジンにとっては、新たな要求を満たすのに十分ではない。

燃料の高反応性は、火炎の安定性やバーンアウトに対して有益な効果をもたらすことが知られており、これは低負荷運転時には有利である。しかしながら負荷と燃焼温度が高い場合には有害な影響を及ぼす恐れがあり、その際にはフラッシュバックやオーバーヒート、ＮＯｘ排出量の増加を引き起こす。燃料の反応性は、供給網や他のガス源によって提供される天然ガスの組成によって与えられる。新しくて多様なガス供給源が利用されると、供給網の燃料組成物は頻繁に変動する。多くの場合大量の不活性ガスが存在し得る。Ｃ２＋（すなわち分子当たり１よりも多い炭素原子を含有し、メタンよりも高い反応性を有する高炭化水素）の量は、例えば０％から２０％若しくはそれ以上の間で変動する可能性があり、これは燃料の反応性が、現在のバーナーによる安定性の限界を超えて制御不能に陥るような変動を引き起こしかねない。

一方燃料の低反応性は、燃料反応性を高める目的の構想や取り組みの開発を促進してきた。それらは、水蒸気改質、接触部分酸化、無接触部分酸化、オートサーマル改質、プラズマ改質などのメタン改質技術に基づいている。これらは全て燃料反応性を高めるべく水素の添加を目的としている。その少なくとも一部を抽出して改質器を通して処理し、それを燃焼システムに供給することによって燃料を調整する改質技術は、例えば米国特許公開第２０１００３００１１０号明細書及び欧州特許公開第２２０６９６８号明細書に記載されている。このような燃料改質に基づく解決手段は、発電所への統合に向けた取り組みである可能性が高く、それ故運用の柔軟性や既存の発電所への適用性に制約をかける。またこれらの解決手段のいくつかは、熱交換器を含んでいるために長い起動時間を要する大きな熱慣性を有し、そのためガスタービンがディスパッチ要求や網支援要求のために変更される場合には、十分に速く対応することができない。

開示の概要
本発明の目的は、広い運転範囲にわたって安定した動作と安全でかつクリーンな運転を可能にするガスタービンと該ガスタービンを動作させる方法を提供することである。さらにそれは、その組成において大きな変動を有する燃料ガスを用いた運転を可能にしている。

本発明の第１の実施形態によれば、ガスタービンは、少なくとも圧縮機、燃焼器、タービン及び燃料システムを備えており、さらにこの燃料システムはガス分離システムを含んでいる。このガス分離システムは、流入燃料ガスよりも高い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する少なくとも第１の燃料留分を分離することができる。この第１の燃料留分は、高炭化水素燃料とも称される。残りの第２の燃料留分は、低減された濃度の高炭化水素、詳細には流入燃料ガスよりも低い高炭化水素濃度を有している。よってこの第２の燃料留分は、低炭化水素燃料とも称される。さらにこの燃料供給システムは、流入燃料のための燃料ガス供給管路及び／又は第２の燃料留分のための燃料管路を備え、これは燃料ガスを燃焼器に供給するためにガスタービンの燃焼器に接続されている。さらに、第１の燃料留分を供給する燃料管路は、前記燃焼器内への第１の燃料留分の添加の制御によって燃焼挙動（例えば燃焼脈動、排出量、燃焼位置）を制御するために少なくとも１つの燃焼器に接続される。

さらに別の実施形態によれば、前記ガスタービンは、シーケンシャル燃焼式のガスタービンであって、圧縮機、第１の燃焼器、第１のタービン、第２の燃焼器、及び第２のタービンを含んでいる。このガスタービンは、流入燃料のための燃料ガス供給管路、及び／又は、第２の燃料留分のための燃料管路であって、燃料ガスを第１の燃焼器に供給するためにガスタービンの第１の燃焼器に接続されている燃料管路を含み、さらに、流入燃料のための燃料ガス供給管路、及び／又は、第２の燃料留分のための燃料管路であって、燃料ガスを第２の燃焼器に供給するためにガスタービンの第２の燃焼器に接続されている燃料管路を含む。さらに前記ガスタービンは、第１の燃料留分を供給するための燃料管路であって、第１の燃料留分の添加によって燃焼挙動を制御すべく第１の燃焼器に接続されている燃料管路を含んでいる。代替的若しくは付加的に、前記ガスタービンは第１の燃料留分を供給するための燃料管路であって、第１の燃料留分の添加によって燃焼挙動を制御すべく第２の燃焼器に接続されている燃料管路を含む。

さらなる実施形態によれば、ガスタービン発電プラントは、第１の燃料留分の少なくとも一部を蓄積して貯蔵し、後で当該第１の燃料留分を使用するための燃料貯蔵システムを含んでいる。第１の燃料留分は、第１の運転期間中に蓄積して貯蔵することが可能である。貯蔵された第１の燃料留分の少なくとも一部は解放可能であり、さらに少なくとも１つの燃焼器に第２の運転期間中に燃焼挙動制御のために供給することが可能である。

ガスタービン低負荷時の燃焼安定性と放出量に関する問題は、そのようなガスタービンを用いることで緩和することができる。高炭化水素（Ｃ２＋）が豊富な分離ガスは、現場で一時的に貯蔵することができ、燃焼安定性の向上や良好なＣＯ排出量のために高い反応性が必要とされるとき（すなわち低負荷時、典型的には５０％以下の相対負荷時（すなわちベース負荷発電出力に対する発電出力））の運転モード中に、天然ガス供給源（典型的にはガス供給網）からの燃料を濃縮するために使用することができる。この濃縮は、全燃料に対して行われてもよいし、特に有益であると期待される再加熱式エンジンのケースにおいて第２の燃焼器のためにだけ行ってもよい。燃料管理システムは、関連するボトミングサイクル又はガスタービンとの熱統合は必要とせず、ガスタービンの負荷変動要求に迅速に応働させることが可能である。さらにこの解決手段は、燃料供給システムに対して小さな変更しか要求せず（すなわちいくつかの付加的接続のみ）、ハードウェアおよびガスタービン自体の制御システムには何ら影響を及ぼさない。これらの特徴は、既存のプラントへの後付けに対して特に有利であり、統合化作業の負担とその問題が軽減できる。

前記貯蔵システムは、分離装置の出口圧力かそれ以下の圧力で操作される簡素な貯蔵容器を含んでいてもよい。

一実施形態によれば、前記貯蔵システムは、貯蔵容器と、所要の貯蔵容量を低減させるために第１の燃料留分を圧縮する圧縮機とを含む。

さらなる改良によれば、前記貯蔵システムは、貯蔵容器と、貯蔵のための所要の貯蔵容量を減少させるための第１の燃料留分を圧縮する圧縮機とを含み、さらに、燃焼器に供給するために貯蔵されている第１の燃料留分を消費するときに、蓄積プロセス中の第１の燃料留分を圧縮するのに必要とされるエネルギーの一部を回収するタービンを含む。これらのシステムはさらに、圧縮されたガスを冷却するためのクーラー及び／又はインタークーラーを備えた圧縮機装置を含むことができる。

別の実施形態によれば、前記貯蔵システムは、液化システム及び液体燃料貯蔵容器、並びに貯蔵に必要な貯蔵容量を低減する再ガス化システムを含む。

ガス分離システムは例えば、浸透分離膜、吸収分離システム、吸着分離システム、圧力又は温度スイング吸着（ＰＳＡ／ＴＳＡ）システム、または深冷分離システムを含む。

適切なシステムは、単一または多段膜プロセスを適用する。標準燃料のバルク部分が大きな圧力損失を受けないような解決策は、再圧縮の必要性を最小限にするために好適である。従って膜システムの場合、高炭化水素がメタンよりも速く浸透する物質は好ましい。吸着システムでは、これは、高炭化水素がメタンよりも良好に吸着する材料に相当する。吸収と低温分離のためにガスタービンの廃熱又は複合サイクルプロセスが使用可能である。

第１の燃料留分の使用、各貯蔵若しくは放出は、スケジュールに基づいて決定することができる。このスケジュールは例えばガスタービンの負荷、可変の入口ガイドベーンの位置又はガスタービンの他の適切な動作パラメータに依存している。

好適な実施形態によれば、燃焼器（複数可）に供給される第１の燃料留分の流れは、少なくとも１つのガスタービン運転パラメータに応じて制御される。この制御用ガスタービンは、相応の測定装置を備えている。この装置は、流入燃料ガス質量流量、ガスタービン負荷、ガスタービン運転温度、流入燃料ガスの組成物、分離された前記第１の燃料留分の組成物、分離された前記第２の燃料の組成物、ＣＯ排出量、ＮＯｘ排出量、リーンブローオフ制限値、低周波脈動、火炎（すなわち、火炎監視）、のうちの少なくとも１つを検出する測定装置であってもよい。

ガスタービンの他に、ガスタービンを運転する方法も本発明の対象である。この方法は、少なくとも圧縮機と、燃焼器と、タービンと、燃料システムとを備えたガスタービンを運転する方法であって、流入燃料ガスよりも高い高炭化水素濃度を有する増加された濃度の高炭化水素（Ｃ２＋）を含有する第１の燃料留分を、流入燃料ガスから分離させるステップを含む。増加された濃度の高炭化水素を含有する第１の燃料留分を分離する場合、流入燃料ガスよりも低い高炭化水素濃度を有する低減された濃度の高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分が供給される。さらにこの方法は、流入燃料及び／又は第２の燃料留分をガスタービンの少なくとも１つの燃焼器に供給するステップと、第１の燃料留分を含有する燃料ガス流量を、燃焼挙動の制御のために少なくとも１つの燃焼器に供給するステップを含む。

第１の燃料留分は、流入燃料ガス及び／又は第２の燃料留分と同じ燃焼器に供給することができ、あるいは燃焼器に安定した火炎を提供するためだけの燃料として供給することができる。この燃焼器は、予混合モードで動作させることが可能であるが、従来のパイロット火炎のようなガスタービンの他のバーナー若しくは燃焼器のための安定器として作用する。

燃料ガスの組成に応じて、高炭化水素含有燃料ガスの分離は、必ずしも常に行う必要はない。それは燃料ガス組成とガスタービンの運転条件に応じて、例えばガスタービン負荷の関数として行ってもよい。

一般的に、高炭化水素含有燃料を含んだ第１の燃料留分の噴射は常時行われる必要はなく、燃料ガスの組成物とガスタービンの運転条件、例えばガスタービンの負荷に応じて行われてもよい。

本発明による方法の一実施形態によれば、第１の燃料留分の全て若しくは少なくとも一部が、第１の運転期間中に貯蔵され、貯蔵された第１の燃料留分の少なくとも一部が、第２の運転期間中の燃焼挙動の制御のために少なくとも１つの燃焼器に供給される。この第１及び第２の運転期間は例えばガスタービンの運転パラメータに依存する。

この第１の（運転）期間は、例えば低反応性燃料ガスが望まれる場合の期間、例えばベース負荷運転時若しくは高い部分負荷運転時の期間であってもよい。この高い部分負荷とは、典型的には６０％以上の相対負荷、好適には７０％以上の相対負荷であり、ここでの相対負荷とは、各周囲条件（この周囲条件とは例えば温度、圧力、湿度などである）下でのガスタービンによって生成可能な設計上の負荷であるベース負荷に対して相対的な負荷である。

低反応性ガスは、例えば燃焼器の動作温度が高くてフラッシュバックリスクの低減が望まれるときに使用可能である。

第２の（運転）期間は、例えば、高反応性燃料ガスが望まれる場合の期間、例えば部分基準負荷運転、低い部分負荷運転（低負荷運転とも称する）、アイドリング運転などの期間であってもよい。ここでの低い部分負荷とは、典型的には６０％以下の相対負荷であり、（好適には）３０％以下の相対負荷であってもよい。

高反応性燃料ガスは、燃焼器の動作温度が低くて燃焼安定性の向上とＣＯ排出量の低減が望まれるときに用いられる。

ここでの低い動作温度とは、燃焼器の設計上の動作温度を下回る動作温度である。それは例えば絶対基準負荷動作温度を２０Ｋ以上下回る温度か又は５０Ｋ以上下回る温度であり得る。それに対して高い動作温度とは、燃焼器の設計上の動作温度に近い動作温度であり、それは例えば燃焼器の設計上の動作温度から２０Ｋ以内または５０Ｋ以内の温度であってもよい。

さらなる実施形態によれば、第１の燃料留分は、流入燃料ガスに及び／又は第２の燃料留分に混合されるか、又は、ガスタービンの１つ以上の運転パラメータの制御のために燃焼器に直接供給される。このパラメータは１つ以上の次のパラメータである。すなわち、ＣＯ排出量、ＮＯｘ排出量、局所的な過熱及び／又はフラッシュバックリスク、火炎の不安定性及び／又はリーンブローオフによる燃焼器脈動、又は最小負荷である。

ＣＯ排出量は、全入力熱量は不変のまま、第１の燃料留分の増加によって低減させることが可能である。

ＮＯｘ排出量は、第２の燃料留分と第１の燃料留分との割合を減少させることによって低減することが可能である。さらにＮＯｘ排出量は、第２の燃料留分と燃焼器に入ってくる流入燃料流量との割合を低減することによって低減させることが可能である。

また運転範囲は、第１の燃料留分の添加量の加減によって、低負荷時まで拡張させることが可能になる。このことは、低負荷運転を可能にし、それによって、燃料消費量も最小に低減される。このことは特にガスタービンが停止モードか又は待機モードにある場合の、配電網に応じた低負荷時の運転コスト削減に役立つ。

圧縮機、第１の燃焼器、第１のタービン、第２の燃焼器及び第２のタービンを含むシーケンシャル燃焼式ガスタービンの運転のための実施例によれば、第１の燃料留分を含有する燃料ガスが、第１の燃焼器のみに供給可能か又は第２の燃焼器のみに供給可能か又は第１の燃焼器と第２の燃焼器の両方に供給可能である。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、第１の燃料留分は、第２の燃焼器が動作していないときに低負荷での火炎安定性を増大させるために第１の燃焼器に追加される。

第１の燃焼器と第２の燃焼器が動作している運転モードのためのさらなる実施形態によれば、第１の燃料留分は、火炎安定性を高めるために第２の燃焼器にだけ追加される。この第２の燃焼器の低負荷での追加は、ＣＯ排出量を低減する。なぜなら追加された高炭化水素の反応性が高いからである。

さらに別の実施形態によれば、第１の燃料留分は第１の燃焼器のみに追加され、それに対して第２の燃料留分の燃料のみは、第２の燃焼器内でのフラッシュバックリスクの低減のために、第２の燃焼器を動作させるために使用される。この運転方法は、ベース負荷時か又は高い部分負荷時に好適である。第１の燃焼器には、第１の燃料留分の燃料か又は第１の燃料留分と第２の燃料留分の組み合わせからなる燃料か又は第１の燃料留分と流入燃料の組み合わせからなる燃料が供給される。

安定した燃焼器の動作のための好適な実施形態によれば、第１の燃料留分は、１つの燃焼器のいくつかのバーナーにのみ加えられるか又は１つのバーナーの燃料ノズルの一部にのみ加えられる。

一実施形態によれば、バーナーの燃料流量に追加される第１の燃料留分は、ガスタービンの少なくとも１つの動作パラメータに応じて制御される。適切な制御パラメータは、ガスタービン内に噴射される燃料質量流量、ガスタービン負荷、相対的なガスタービン負荷、流入燃料ガスの組成物、第１の燃料留分及び／又は第２の燃料留分の組成物であってもよい。これらのパラメータは、ガスタービンの熱負荷に直接的な影響を有し、燃焼器内の熱放出の指標となり得る。さらに適切な制御パラメータは、タービン入口温度やタービン出口温度のようなガスタービン運転温度か又は燃焼過程を示す局所的な温度であり得る。例えば火炎位置を直接的若しくは間接的に示す温度、例えばバーナーや燃焼器金属温度、燃焼室内の再循環流の温度は、第１の燃料留分の質量流量の制御に用いることが可能である。

排出量は燃焼状態の指標となり得るので、ＣＯ排出量、ＮＯｘ排出量、又は未燃焼炭化水素含有量（ＵＨＣとも称される）は、第１の燃料留分の質量流量を制御するのに使用することができる。

リーンブローオフ制限値へのアプローチを示す若しくはフラッシュバックリスクを示す任意の他の制御信号は、第１の燃料留分の質量流量を制御するために使用することができる。特にこれは、低周波の脈動又は火炎監視信号（典型的には、光学センサ）であってもよい。

高炭化水素を分離するための種々異なる技術や方法が公知である。第１の燃料留分を分離するのに適した方法には、膜を使用した浸透分離膜法、吸収分離法、吸着分離法、特に、圧力又は温度スイング吸着（ＰＳＡ／ＴＳＡ）法、深冷分離法が含まれる。

本発明による方法の一実施形態によれば、５０％以上メタンを含有する流入燃料が供給され、第１の燃料留分が膜を使用した浸透分離法によって分離され、この膜は高炭化水素に対して浸透性であり、高濃度なメタン主燃料流量を第２の燃料留分へと通過させる。第１の燃料留分が膜を透過する手法では、主燃料流量は低い圧力降下を伴うガス分離によって通流可能である。特に、主燃料流量の圧力低下は、膜の圧力降下よりも小さい。

多段膜プロセスは、膜の種類と、燃料ガス組成物と、第１および第２の燃料留分の所要純度とに応じて適用可能である。

本発明による方法の別の実施形態によれば、５０％を超えるメタンを含有する流入燃料が供給され、第１の燃料留分は吸着分離法によって分離される。ここでの吸着剤は、高炭化水素に対して選択的であり、高濃度メタンの主燃料流量は第２の燃料留分へと通過させる。したがって、第２の燃料留分の圧力低下は小さい。一般的にこの種の吸着法は、吸着剤を再生させるための、すなわち第１の燃料留分を脱着／放出させるためのエネルギーが、メタンを吸着させる方法よりも少なくて済む。なぜなら第１の燃料留分の質量流量が、メタンの質量流量よりも小さいからである。

燃焼安定性のトラブルや排出量を低減することにより、ＧＴは、この手段を適用しない場合よりもより低い負荷で運転可能となり、これによって電力価格が低いときの運転コスト（すなわち燃料コスト）削減に寄与する。また、高炭化水素（Ｃ２＋）を燃料から除去することができるので、基準負荷運転時の高炭化水素燃料（Ｃ２＋）を用いた運転のためのエンジンの負担軽減は不要になる。これは、最大電力が要求されたときの電力出力とガスタービン効率の両方を増大させるので、電力価格が高い場合に有益となる。この両方の態様は、例えば、得られる経済的利益と比較しても、蓄積するために分離された高炭化水素の再圧縮に要する電力は僅かでしかないと推定され、そのデメリットを上回ることが期待できる。さらに、発電プラントとの何らかの熱統合が許容可能であるならば、高圧で貯蔵された高炭化水素を予熱し、タービン内で燃焼器内への噴射に要する燃圧まで膨張させることで、圧縮のために必要な電力の一部を回収することも可能になる。それ故に、ガスタービンプラントの運転に係る経済効果として、低負荷運転と基準負荷運転の両方を向上させることが可能になる。

図面の簡単な説明
以下では、添付の図面を用いて本発明を、その性質ならびにその利点と共により詳細に説明する。

本発明に係る燃料システムを備えたガスタービンプラントの実施例を示した図 本発明に係る燃料システムを備えたシーケンシャル燃焼式ガスタービンプラントの第１実施例を示した図 本発明に係る燃料システムを備えたシーケンシャル燃焼式ガスタービンプラントの第２実施例を示している ａ乃至ｄは異なる燃料貯蔵システムを概略的に示した図

実施形態
図１は、本発明に係る方法を実施するための単一の燃焼器とガスタービンとを備えたガスタービンプラントが示されており、そこには、圧縮機１と燃焼器４とタービン７が含まれている。燃料ガスは、燃焼器４に導入され、圧縮機１で圧縮された圧縮空気３と混合されて、燃焼器４で燃焼される。燃焼された高温のガス６は、仕事を行う後続のタービン７において膨張される。

一般的に、ガスタービンプラントは発電機１９を含み、この発電機１９はガスタービンのシャフト１８に結合されている。

流入燃料５は、第１の燃焼器燃料制御弁２２によって制御され、燃焼器４に供給される。代替的に若しくは組み合わせで、流入燃料５流量の少なくとも一部は、燃料調整制御弁２１によって制御されている。この燃料調整制御弁２１を通過した燃料流量は、ガス分離システム１６を通過する。このガス分離システム１６では、流入燃料ガス５よりも高い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する第１の燃料留分１４が、流入燃料ガス５から分離されている。流入燃料ガス５よりも低い高炭化水素濃度を有する減少された濃度の高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分２０は、燃焼器４に供給することができる。燃焼器４には、流入燃料ガス５、第２の燃料留分２０、あるいはその両方の混合物が供給可能である。また第１の燃料留分１４は、運転条件とガスタービンの構成に依存して燃焼器４に供給される。図１に示す実施例では、第１の燃料留分１４は、最初に貯蔵システムＩＶに供給される。この貯蔵システムＩＶから、第１の燃料留分は燃焼器４に供給可能である。燃焼器４内への第１の燃料留分１４の燃料流量は、高炭化水素燃料のための第１の制御弁２４によって制御される。図示の実施例では、第２の燃料留分２０は、流入燃料５及び／又は第１の燃料留分１４と混合可能であり、その結果として第１の調整された燃料流量９が得られる。バーナーの種類に応じて各燃料流量、即ち、流入燃料５及び／又は第２の燃料留分２０及び第１の燃料留分１４は、燃焼器内へ直接噴射させることができる（図示せず）。

図２には、本発明に係る方法を実施するためのシーケンシャル燃焼式ガスタービンを備えたガスタービンプラントが示されており、そこには、圧縮機１、第１の燃焼器４、第１のタービン７、ガスタービンのシャフト１８に結合された発電機１９を備え、典型的には、第２の燃焼器１５、第２のタービン１２が含まれている。

燃料ガスは、第１の燃焼器４に供給され、圧縮機１で圧縮された空気と混合され、燃焼される。燃焼した高温ガス６は、仕事を行う後続の第１のタービン７において部分的に膨張される。その後速やかに第２の燃焼器が動作し、追加の燃料が前記の部分的に膨張したガス８に加えられ、第２の燃焼器１５内で燃焼される。ここでの高温ガス１１は、仕事を行う後続の第２のタービン１２内で膨張される。

流入燃料５は、第１の燃焼器燃料制御弁２２によって制御され、第１の燃焼器４に供給することができる。また流入燃料５は、第２の燃焼器燃料制御弁２３によって制御され、第２の燃焼器１５に供給することができる。代替的若しくは組み合わせで、流入燃料５流量の少なくとも一部は、燃料調整制御弁２１によって制御されている。この燃料調整制御弁２１を通過した燃料流量は、ガス分離システム１６を通過し、このガス分離システム１６では、流入燃料ガス５よりも高い高炭化水素濃度の高炭化水素を含有する第１の燃料留分１４が、流入燃料ガス５から分離されている。流入燃料ガス５よりも低い高炭化水素濃度を有する減少された濃度の高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分２０は、少なくとも１つの燃焼器４，１５に供給される。これらの燃焼器４，１５には、流入燃料ガス５、第２の燃料留分２０、あるいはその両方の混合物が供給される。ここに示されている実施例でのガス分離システム１６には、主燃料流量から高炭化水素燃料を分離させる膜３０が含まれている。

第１の燃焼器４への第２の燃料留分２０、すなわち低減された炭化水素濃度を有する燃料留分（これは低炭化水素燃料又は低Ｃ２＋燃料とも称される）は、第１の低炭化水素燃料制御弁２６によって制御することができる。

第２の燃焼器１５への第２の燃料留分２０の流量は、第２の低炭化水素燃料制御弁２７によって制御することができる。

第２の燃焼器１５内でのフラッシュバックリスクを低減するために、第２の燃焼器燃料制御弁２３は閉鎖することができ、第２の燃料留分だけを第２の燃焼器１５内の燃焼に使用することが可能である。第２の燃焼器への低炭化水素燃料の流量は、第２の低炭化水素燃料制御弁２７によって制御される。

運転条件とガスタービンの構成に依存して、第１の燃料留分１４は、第１の燃焼器４及び／又は第２の燃焼器１５に供給される。好適には、第１の燃料留分１４は、貯蔵システムＩＶに供給される。この貯蔵システムＩＶから、第１の燃料留分は前記燃焼器４，１５に供給可能である。第１の燃焼器４内への第１の燃料留分１４の燃料流量は、高炭化水素燃料のための第１の制御弁２４によって制御される。第２の燃焼器１５内への第１の燃料留分１４の燃料流量は、高炭化水素燃料のための第２の制御弁２５によって制御される。

図示の実施例では、第１の燃料留分１４は、流入燃料５及び／又は第２の燃料留分２０と混合可能であり、その結果として第１の調整された燃料流量９が第１の燃焼器４のために得られ、第２の調整された燃料流量１０が第２の燃焼器１５のために得られる。バーナーの種類に応じて各燃料流量、即ち、流入燃料５及び／又は第２の燃料留分２０及び第１の燃料留分１４は、前記燃焼器（４，１５）内へ直接噴射させることができる（図示せず）。

図３は、本発明に係る燃料システムを備えたシーケンシャル燃焼式ガスタービンプラントの第２実施例を示している。図３は、図２に基づいている。但し、燃料分配システムが簡素化されている。図３の例では、第２のガスタービン１２内のフラッシュバックリスクなしのガスタービン運転が意図されている。そのため、低炭化水素含有燃料の第２の燃料留分２０を第２の燃焼器１５に供給するための線路が設けられていない。この第２の燃焼器には、第２の燃焼器燃料制御弁を介して流入燃料５だけが供給可能である。さらに、高炭化水素濃度を有する第１の燃料留分１４は、高炭化水素燃料用の第２の制御弁２５を介して第２の燃焼器１５に供給することができる。

この例では、ガス分離システム１６の出力容量は、第１の燃焼器４の基準負荷燃料流量に制限されている。流入燃料５のみが、第１の燃焼器燃料制御弁２２を介して第１の燃焼器４に供給可能であり、及び／又は、第２の燃料留分２０が第１の燃焼器４に供給可能である。この第２の燃料留分２０は、燃料調整制御弁２１によって制御することができる。この構成では、第１の燃料留分１４のいかなる混合物も、第１の燃焼器４内には供給されない。

全ての実施例に対してオイルは、デュアル燃料構成（図示せず）にて燃焼器内に注入可能である。また、ガスタービンは、例えば圧縮ステーションの機械的な駆動部として使用することも可能である。

ガスタービンの排気ガス１３は、好適には複合サイクル発電プラントの廃熱回収ボイラか又は他の廃熱回収部に供給することが可能である（図示せず）。

図４ａには、貯蔵容器１７と、前記貯蔵容器１７内へ第１の燃料留分１４を供給するための管路と、前記貯蔵容器１７から一方又は両方の燃焼器４，１５に第１の燃料留分１４を供給するための管路とを含んだ簡素な燃料貯蔵システムＩＶが示されている。

少量の高炭化水素燃料のみが、ガスタービンの安定した動作を保証するために必要とされる場合、すなわち例えば運転期間が、発電プラントの装荷又は非装荷に対して制限されている場合、あるいは所定の期間に制限されている場合に、このシステムを使用することができる。この期間は、例えば１時間程度又は５時間程度までにすることが可能である。さらに、高い燃料ガス供給圧力は、貯蔵容器１７内の圧力が、第１の燃焼器４内若しくは各第２の燃焼器１５内へ第１の燃料留分を供給するために必要とされる圧力よりも高くなることが保証されなければならないようなシステムにとって有利となる。

図４ｂには、より改善された例が示されている。貯蔵容量を増加させるために、第１の燃料（ガス）留分１４は、貯蔵容器１７内に貯蔵する前に圧縮機３１で圧縮されている。さらに所要体積の低減のために、圧縮された燃料ガスは、貯蔵容器１７内に供給される前に熱交換器３２で冷却される。

図４ｃは、さらに改善された例を示している。ここでも貯蔵容量を増加させるために、第１の燃料（ガス）留分１４は、貯蔵容器１７内に貯蔵する前に圧縮機２８で圧縮される。さらに、体積を減少させるために圧縮されたガスは、熱交換器３２で冷却される。

第１の燃料（ガス）留分１４の圧縮に必要な力は、貯蔵容器１７から放出されるときの第１の燃料（ガス）留分１４の膨張によって少なくとも部分的に回収することができる。それは、図４ｃの例では、圧縮機２８は、流れが逆転した場合でもタービン２８として動作するように設計されている。タービン２８として動作するときには、第１の燃料（ガス）留分１４は、タービン２８での回収力の増大のために、熱交換器３２において、プラントからの低いレベルの熱か廃熱によって予熱することが可能である。この例は、燃料調整システムの一時停止動作が可能なときにのみ可能である。すなわち、高炭化水素含有燃料ガスが、ガス分離システム１６内で分離され、得られた第１の燃料留分１４が圧縮機２８を介して貯蔵容器１７に供給されるか、高炭化水素含有燃料ガスが貯蔵容器１７から放出され、タービン２８内で膨張され、第１又は第２の燃焼器４，１５に流入されるかのいずれかである。

連続運転のために、貯蔵容器１７に供給するための別個の圧縮機と、貯蔵容器１７から離れた分岐に配置された別個のタービンとを備えた装置（図示せず）を使用することも可能である。

図４ｂ，ｃの圧縮機３１，２８は、所要電力の低減のためにインタークーラーを備えた圧縮機として構成してもよい。

図４ｄには、異なる燃料貯蔵システムＩＶが示されている。ここに示されているシステムは、液化及び再ガス化システム２９に基づいている。貯蔵容量を増やすために、第１の燃料留分１４は、貯蔵容器１７内に液化ガスとして貯蔵される前に、液化及び再ガス化システム２９で液化される。この液化のために、熱交換器３２によって第１の燃料留分１４から熱が回収される。第１の燃料留分１４は、燃焼器４，１５へ供給すべく前記液化及び再ガス化システム２９において再ガス化される。この再ガス化のために、熱交換器３２で熱が加えられている。

この例は、燃料調整システムの一時停止動作が可能なときにのみ可能である。すなわち、天然ガスが、ガス分離システム１６で分離され、その結果得られた高濃度の炭化水素を有する第１の燃料留分１４が液化及び再ガス化システム２９を介して貯蔵容器１７に供給されるか、高炭化水素含有燃料ガスが貯蔵容器１７から放出され、前記液化及び再ガス化システム２９内でガス化され、第１又は第２の燃焼器４，１５に供給されるかのいずれかである。

前述した説明中の全ての有利な特徴は、特定の組み合わせに限定されるものではなく、本発明の開示を逸脱しない範囲で、その他の組み合わせにおいても、あるいは単独でも使用することができる。その他の可能性も任意に考えられる。例えば、不活性化のために、個別のバーナーが用いられてもよいし複数のバーナーからなるグループが用いられてもよい。

また、所要のガスタービン運転よりも高い燃料流量でガス分離システム１６を動作させると有利である。このことは、分離システム１６の能力に関して、すなわち、分離された高炭化水素の純度やシステムの複雑性に関して有利である。このガス分離システム１６を通った燃料流量がガスタービンの運転に要する燃料よりも高い場合には、主にメタンを含有する余分な第２の燃料留分２０がガスグリッドに再噴射される。これは、例えば、燃料ガス圧縮機と制御弁（図示せず）とを有する戻り管路を介して達成することが可能である。

１ 圧縮機
２ 吸入空気
３ 圧縮空気
４ 第１の燃焼器
５ 流入燃料
６ 高温ガス
７ 第１のタービン
８ 部分的に膨張した高温ガス
９ 第１の調整燃料
１０ 第２の調整燃料
１１ 高温ガス
１２ 第２のタービン
１３ 排気ガス（廃熱回収ボイラ用）
１４ 第１の燃料留分
１５ 第２の燃焼器
１６ ガス分離システム
１７ 貯蔵容器
１８ シャフト
１９ 発電機
２０ 第２の燃料留分
２１ 燃料調整制御弁
２２ 第１燃焼器燃料制御弁
２３ 第２燃焼器燃料制御弁
２４ 第１の高炭化水素燃料制御弁
２５ 第２の高炭化水素燃料制御弁
２６ 第１の低炭化水素燃料制御弁
２７ 第２の低炭化水素燃料制御弁
２８ 圧縮機／タービン
２９ 液化及び再ガス化システム
３０ 膜
３１ 圧縮機
３２ 熱交換器
ＩＶ 貯蔵器

Claims (15)

1. 少なくとも圧縮機（１）と、燃焼器（４，１５）と、タービン（７，１２）と、燃料システムとを備えたガスタービンであって、
   前記燃料システムは、流入燃料ガス（５）よりも高い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する少なくとも第１の燃料留分（１４）を分離するためのガス分離システム（１６）を含んでおり、それによって、前記流入燃料ガス（５）よりも低い高炭化水素濃度を有する高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分（２０）が供給され、
   前記流入燃料（５）のための燃料ガス供給管路及び／又は第２の燃料留分（２０）のための燃料管路が、前記燃料ガス（５，２０）を前記燃焼器（４，１５）に供給するために前記ガスタービンの前記燃焼器（４，１５）に接続されており、
   さらに前記第１の燃料留分（１４）を供給するための燃料管路が、前記燃焼器（４，１５）内へ前記第１の燃料留分（１４）を添加する制御によって燃焼挙動を制御するために前記燃焼器（４，１５）に接続されていることを特徴とするガスタービン。
2. 前記ガスタービンはシーケンシャル燃焼式ガスタービンであって、
   圧縮機（１）と、第１の燃焼器（４）と、第１のタービン（７）と、第２の燃焼器（１５）と、第２のタービン（１２）とを含み、
   前記流入燃料（５）のための燃料ガス供給管路及び／又は前記第２の燃料留分（２０）のための燃料管路が、前記燃料ガス（５，２０）を前記第１の燃焼器（４）に供給するために前記ガスタービンの前記第１の燃焼器（４）に接続されており、さらに、
   前記流入燃料（５）のための燃料ガス供給管路及び／又は前記第２の燃料留分（２０）のための燃料管路が、前記燃料ガス（５，２０）を前記第２の燃焼器（１５）に供給するために前記ガスタービンの前記第２の燃焼器（１５）に接続されており、さらに、
   前記第１の燃料留分（１４）を供給するための燃料管路が、前記第１の燃料留分（１４）の添加によって燃焼挙動を制御するために前記第１の燃焼器（４）に接続されており、及び／又は、
   前記第１の燃料留分（１４）を供給するための燃料管路が、前記第１の燃料留分（１４）の添加によって燃焼挙動を制御するために前記第２の燃焼器（１５）に接続されている、請求項１記載のガスタービン。
3. 燃料貯蔵システム（ＩＶ）を有し、前記燃料貯蔵システム（ＩＶ）は、前記第１の燃料留分（１４）の少なくとも一部を第１の運転期間中に蓄積して貯蔵し、さらに、燃焼挙動の制御のために第２の運転期間中に前記少なくとも１つの燃焼器（４，１５）に前記第１の燃料留分（１４）を供給するために、前記貯蔵された第１の燃料留分（１４）の少なくとも一部を放出する、請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 前記燃料貯蔵システム（ＩＶ）は、貯蔵容器（１７）と、必要な貯蔵容量を低減させるために前記第１の燃料留分（１４）を圧縮する圧縮機（３１）とを含み、
   又は、
   前記燃料貯蔵システム（ＩＶ）は、貯蔵容器（１７）と、必要な貯蔵容量を低減させるために前記第１の燃料留分（１４）を圧縮する圧縮機（２８，３１）と、さらに燃焼器（４，１５）に前記第１の燃料留分（１４）を供給する場合に、エネルギー回収のために貯蔵されている前記第１の燃料留分（１４）を膨張させるためのタービン（２８）とを含み、
   又は、
   前記燃料貯蔵システム（ＩＶ）は、液体燃料貯蔵容器（１７）と、必要な貯蔵容量を低減させるための液化及び再ガス化システム（２９）とを含む、請求項３記載のガスタービン。
5. 前記ガス分離システム（１６）は、
   浸透分離膜、
   吸着分離システム、
   吸収分離システム、
   圧力又は温度スイング吸着（ＰＳＡ／ＴＳＡ）システム、
   深冷分離システム、
   のいずれかを含む、請求項１から４いずれか１項記載のガスタービン。
6. 前記ガスタービンは、以下のパラメータ、
   流入燃料ガス（５）質量流量、
   ガスタービン負荷、
   ガスタービン運転温度、
   流入燃料ガス（５）の組成物、
   分離された前記第１の燃料留分（１４）の組成物、
   分離された前記第２の燃料（２０）の組成物、
   ＣＯ排出量、
   ＮＯｘ排出量、
   リーンブローオフ制限値、
   低周波脈動、
   前記燃焼器（４，１５）内の火炎、
   のうちの少なくとも１つを検出するための測定装置を含んでいる、請求項１から５いずれか１項記載のガスタービン。
7. 少なくとも圧縮機（１）と、燃焼器（４，１５）と、タービン（７，１２）と、燃料システムとを備えたガスタービンを運転する方法であって、
   流入燃料ガス（５）よりも高い高炭化水素濃度を有する増加された濃度の高炭化水素を含有する第１の燃料留分（１４）が、前記流入燃料ガス（５）から分離され、それによって、前記流入燃料ガス（５）よりも低い高炭化水素濃度を有する低減された濃度の高炭化水素を含有する残りの第２の燃料留分（２０）が提供され、
   前記流入燃料（５）及び／又は前記第２の燃料留分（２０）は、前記ガスタービンの少なくとも１つの燃焼器（４，１５）に供給され、
   前記第１の燃料留分（１４）を含有する燃料ガス流量が、燃焼挙動の制御のために前記少なくとも１つの燃焼器（４，１５）に供給されることを特徴とする方法。
8. 前記第１の燃料留分（１４）の全て又は少なくとも一部を、第１の運転期間中に貯蔵システム（ＩＶ）に貯蔵し、前記貯蔵されている前記第１の燃料留分（１４）の少なくとも一部を、燃焼挙動の制御のために第２の運転期間中に、前記少なくとも１つの燃焼器（４，１５）に供給する、請求項７記載の方法。
9. 前記第１の燃料留分（１４）は、前記流入燃料ガス（５）に及び／又は前記第２の燃料留分（２０）に混合され、
   又は、
   前記第１の燃料留分（１４）は、以下の１つ以上のパラメータ、
   ＣＯ排出量、
   ＮＯｘ排出量、
   局所的な過熱及び／又はフラッシュバックリスク、
   火炎の不安定性及び／又はリーンブローオフによる脈動、
   を制御するために、前記燃焼器（４，１５）に直接供給される、請求項７または８記載の方法。
10. 圧縮機（１）と、第１の燃焼器（４）と、第１のタービン（７）と、第２の燃焼器（１５）と、第２のタービン（１２）とを含んだシーケンシャル燃焼式ガスタービンにおいて、前記第１の燃料留分（１４）は、前記第１の燃焼器（４）及び／又は前記第２の燃焼器（１５）に加えられる、請求項７から９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記第１の燃料留分（１４）は、前記第２の燃焼器（１５）が動作していないときに低負荷時の火炎安定性を増大させるために、前記第１の燃焼器（４）にのみ加えられ、
    及び／又は
    前記第１の燃料留分（１４）は、低温に起因するＣＯ排出量を低減するために前記第２の燃焼器（１５）の低負荷時の火炎安定性を増大させるために、前記第２の燃焼器（１５）にのみ加えられ、
    及び／又は
    前記第１の燃料留分（１４）は、前記第１の燃焼器（４）にのみ加えられ、一方前記第２の燃料留分（２０）の燃料のみは、前記第２の燃焼器（１５）内のフラッシュバックリスクの低減のために、前記第２の燃焼器（１５）の動作に使用される、請求項１０記載の方法。
12. 前記第１の燃料留分（１４）は、１つの燃焼器のいくつかのバーナーにのみ、又は、１つのバーナーのいくつかの燃料ノズルにのみ加えられる、請求項７から１１いずれか１項記載の方法。
13. バーナー（４，１５）の燃料流量に添加される前記第１の燃料留分（１４）の量は、以下のパラメータ、
    前記ガスタービン内に噴射された全燃料ガス質量流量、
    前記ガスタービン負荷又は相対的ガスタービン負荷、
    前記流入燃料ガス（５）の組成物、
    前記第１の燃料留分（１４）の組成物、
    前記第２の燃料留分（２０）の組成物、
    前記ガスタービン運転温度、
    ＣＯ排出量、
    排気ガス（１３）中の未燃焼炭化水素含有量、
    ＮＯｘ排出量、
    前記燃焼器（４，１５）のリーンブローオフ制限値、
    低周波脈動、
    火炎監視信号、
    フラッシュバックリスク、
    の少なくとも１つの関数として制御される、請求項７から１２いずれか１項記載の方法。
14. 前記第１の燃料留分（１４）は、以下の方法、
    膜（３０）を利用した浸透膜分離法、
    吸着分離法、
    吸収分離法、
    圧力又は温度スイング吸着法（ＰＳＡ／ＴＳＡ）、
    低温分離法、
    の少なくとも１つによって分離される、請求項７から１２いずれか１項記載の方法。
15. ５０％を上回るメタンを含有する流入燃料が供給され、かつ、
    前記第１の燃料留分（１４）は、膜を使用した浸透分離法によって分離され、前記膜は、高炭化水素に対して浸透性でありかつ高濃度メタン主燃料流量を前記膜（３０）を通過した流量の圧力低下よりも小さい圧力低下を伴う第２の燃料留分（２０）として通過させ、又は、
    前記第１の燃料留分（１４）は、吸着分離法によって分離され、前記吸着分離法では、吸着剤が高炭化水素を選択し、かつ、高濃度メタン主燃料流量を第２の燃料留分（２０）として通過させる、請求項１４記載の方法。

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