JP2016510098A - 定格出力以下でのガスタービンの運転法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービンをその定格出力以下で運転するための方法であって、出されるガスタービン出力が下がると、ガスタービンの排ガス中のＣＯ排出量が増加する方法であって、ＣＯ排出量の（任意に選択可能な）所与の限界値に達した場合、あるいは出されるガスタービン出力の、相対的あるいは絶対的に定められた所与の限界値を下回った場合、ガスタービンの燃焼室内の燃焼温度を上げる方法に関する。排出量を少なくしてガスタービンを運転するために意図されているのは、出力が一定の場合に、燃焼温度の上昇によって生じるガスタービン出口での排ガス温度の上昇を、液体状あるいは気体状の媒体を添加することで、少なくとも部分的に相殺することである。

Description

本発明は、ガスタービンをその定格出力以下で運転するための方法であって、出されるガスタービン出力が下がることで、ガスタービンの排ガス中のＣＯ排出量が増加し、ＣＯ排出量の所与の限界値に達した場合、あるいは出されるガスタービン出力の所与の限界値を下回った場合、ガスタービンの燃焼室内の燃焼温度が上がる方法に関する。

電気エネルギー生産のために使用されるガスタービンで知られているのは、これらのガスタービンは定格負荷で運転されるだけでなく、それ以下でも運転されるということである。しかしながら、このいわゆる部分負荷運転は、燃料の燃焼時に根本的な空気超過を起こすことになりかねない。そうなれば燃焼空気比率は、基本的には１より大きくなる。負荷の低下時に、大抵圧縮機質量流量が減少し、それによって圧縮機の圧力比率とひいては燃焼室内の燃料・空気混合気の燃焼温度も低下し、このことが、ＣＯ排出量にとって重要な一次燃焼領域の温度に、同じように影響を及ぼす。それでこの温度が最小値を下回ると、ＣＯ排出は一層強くもたらされる。一次燃焼領域の温度がさらに低くなると、ＣＯ排出量は、大抵法律で定められた排出限界値を上回るほど上昇しかねず、それによって、ＣＯ排出量に適合した、ガスタービンの部分負荷領域を逸脱する。この事実によってガスタービンの操業者は、そのガスタービンの出力をさらに下げ、同時にＣＯ排出限界値を下回ることができないのであれば、法律上のＣＯ排出限界値が問題となる限りにおいて、そのガスタービンを停止することを強要されかねない。

まさに記述されたガスタービンの部分負荷性能をさらに向上させるために、従来技術から知られる特許文献１は、バイパスシステムを有するガスタービンであって、当該ガスタービンを通って、圧縮機の最終空気の一部が、燃焼室を通り過ぎてガスタービンの排ガス路に送られ得るガスタービンを提案している。それによって、燃焼に供給される空気量を削減することができ、燃焼温度とひいては重要な一次燃焼領域の温度を上げる。そうすれば温度の上昇はＣＯ排出量の減少をもたらすので、負荷運転がさらに低下しても、ガスタービンは、ＣＯ排出量に適合した運転をされ得る。しかしながら不利なのは、バイパスされた圧縮空気はガスタービンでの仕事変換に貢献しないので、従来技術で知られた運転法がガスタービンの効率を不必要に減らすことである。

独国特許出願公開第１０２００８０４４４４２号明細書

それゆえ本発明の課題は、部分負荷運転にもかかわらず、ＣＯ排出量に適合した運転法で比較的高い効率を備えるガスタービンの運転法を提供することである。本発明のさらなる課題は、排出量に適合したガスタービン運転がより低い負荷に拡大されている方法を提供することである。

方法に向けられた課題は、請求項１の特徴によって解決される。有利な形態は、従属請求項において述べられており、それらの技術的教示は、任意のやり方で互いに組み合わせてよい。

本発明に従えば、ガスタービンをその定格出力以下で運転するための方法であって、出されるガスタービン出力が下がると、ガスタービンの排ガス中のＣＯ排出量が増加する方法であって、ＣＯ排出量の（任意に選択可能な）所与の限界値に達した場合、あるいは出されるガスタービン出力の、相対的あるいは絶対的に定められた所与の限界値を下回った場合、ガスタービンの燃焼室内の燃焼温度を上げる方法において、意図されているのは、出力が一定の場合に、燃焼温度の上昇によって生じるガスタービン出口での排ガス温度の上昇を、液体状あるいは気体状の媒体を添加することで、少なくとも部分的に相殺することである。

排ガス温度の上昇によって、ＣＯ排出量削減のために有効な手段がもたらされる。しかしながらこれまで、この処置は、ガスタービン部材とガスタービン出口に後続する部材との最高許容運転温度によって、制限されている。温度を制限して排ガスに影響を及ぼすこのような部材の例として、本願では、ガスタービンに後置された蒸気タービンのための廃熱蒸気発生器として作動するボイラー、ガスタービンの排ガスハウジングおよび／またはガスタービンの排ガスディフューザを挙げておこう。ガスタービンの出口でまたはガスタービンの出口の下流で液体状もしくは気体状の媒体を添加することによって、排ガス温度が下がるので、添加の場所より前で生じた排ガス温度は、その下流に配置された排ガスを運ぶ部材の最高許容運転温度よりもはるかに高温であってよい。したがって、ガスタービン内で行われる循環プロセスは、上記の部材の運転温度より高い排ガス温度で運転されるが、排ガス温度を制限する部材は、最高許容運転温度より温度が低い排ガスを運ぶ。したがって、燃焼温度が上昇しても、ガスタービン出口に後続する部材は高温になり過ぎないことが保証される。これは、部分負荷運転中のＣＯ排出の発生を低減し、もしくは、部材を危険にさらすことなく、さらに低い出力領域でガスタービンを運転することを可能にする。

本特許出願の主旨において燃焼温度とは、燃焼器の一次燃焼領域で生じる炎の温度と理解され得る。この温度は、理論上の火炎温度としても知られる。

顧慮されるべきは、本発明では、気体状もしくは液体状の媒体は、炎の中にではなく、炎から作られる排ガスの中に添加されるということである。炎の中への添加は通例であり、早くから通例である拡散燃焼器のＮＯｘ排出量をコントロールして削減するために、すでに非常に早くから用いられてきた。好適には、媒体はガスタービンの最終タービン段のすぐ後あるいは、ガスタービンのロータが通例半径方向に軸受されている、ガスタービンの軸受支持体の後に添加される。この方法を実行するためのこの構成は、炎のすぐ下流たとえば第１タービン段の前あるいは第２タービン段の前で媒体の添加を可能にする構成と比べて、比較的容易である。それでも後者には、出力とひいては効率とが、さらに下流で添加の場合よりも高くなるという利点がある。

ＣＯ排出量の所与の限界値、つまりこれに到達した後はガスタービンの燃焼室内の燃焼温度を高くしなくてはならない限界値は、任意の値を有してよい。この限界値は、法律で定められたＣＯ排出量の排出量限界値に依らない。本発明に係るＣＯ排出量の所与の限界値は、当該限界値が、望ましい運転法に従って本発明に係る方法を開始させるように、選択される。

当然ながら、ＣＯ排出量とは別のパラメータも、本発明に係る方法を引き起こすために考慮することが可能である。別のパラメータは、加えてあるいは代替的に、ＣＯ排出量の少ない部分負荷運転の開始に用いられてよい。たとえば、本発明に係る方法を、ガスタービン出力の所与の相対的あるいは絶対的限界値を下回った時に、初めて実行することが可能である。出されるガスタービン出力は、熱データに基づいてあるいはジェネレータ端子出力にも基づいて、算出され得る。

特に好ましい形態に従えば気体状の媒体は、負荷放出が非常に低い場合プロセス蒸気を放出する必要がないので、このプロセス蒸気を排ガスの冷却に使用できる、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電所のプロセス蒸気である。

本方法の特に好ましい形態に従えば、媒体の添加後に出る排ガス温度が、媒体を添加せずに定格出力時に同じ箇所で現れる排ガス温度とほとんど同じであるか、あるいはほんのわずかだけこの温度と異なるくらいまで、燃焼温度が上げられ、媒体の添加量が選択される。この形態は、以下の考えに基づいている。

通例、定格負荷から、負荷低下のために、圧縮機の流入静翼を回転で閉じることによって、まず圧縮機の吸引質量流量が減らされる。この処置により、ガスタービンの圧力比率が低下し、その結果として、燃焼温度は維持されたままで排ガス温度が上昇する。すでにさらに上で記述されたように、タービン出口での最高許容排ガス温度は、ガスタービンと場合によっては後設されている（蒸気発生のための）ボイラーの材料温度によって予め決められている。圧縮機質量流量の減少によって負荷が軽減されたときに、排ガスがこの最高温度に達すると、従来技術では負荷のさらなる低下の際に燃焼温度もさらに下げなくてはならない。燃焼温度のこのような低下を回避するために、ひいてはＣＯ排出量を比較的わずかな値で維持するために、排ガス温度がガスタービンに後置された部材の最高許容材料温度を超えて上昇することを意味する、圧縮機質量流量のさらなる減少が、好適には提案される。しかしながらこれらの部材を過熱から、ひいては耐久年数の短縮から保護するために、気体状あるいは液体状の媒体を添加することによって、許容できないほど高まった排ガス温度を、当該排ガス温度がガスタービン部材もしくはガスタービンに後置された部材の最高許容材料温度とほとんど同じになるまで、下げる。通例そのようなガスタービンは、許容材料温度が定格運転で達成されるように考案されている。

本発明の特別な利点は、現存のガスタービンを比較的簡単に、本発明に係る方法の運転のために装備を変えることができることである。ガスタービン自身の変更は必要なく、液体状あるいは気体状の媒体を供給するためのガスタービンの排ガス路が単に強化されるべきである。また、従来技術のように、圧縮機の最終空気をバイパスすることによる効率の損失も起こらない。炎の燃焼が改善されるので、場合によっては、効率の改善すら起こり得る。

本発明は、１つの実施例に基づいてより詳細に説明されるが、しかしながらそれによって本発明がさらに限定されるべきではない。

このために唯一の図は、気体状あるいは液体状の媒体を排ガスに供給できるガスタービンを概略的に示している。

図１は、圧縮機１２と、ロータが互いに堅固に連結されているタービンユニット１４とを有する定置式ガスタービン１０を概略的に示している。圧縮機出口とタービンユニット１４の入口部分との間には、燃焼室１６が備わっている。この燃焼室１６は、サイロ燃焼室、パイプ燃焼室あるいはリング燃焼室としても構成されていてよい。パイプ燃焼室の場合には、ガスタービン１０は大抵、１０、１２あるいはそれ以上のパイプ燃焼室を備える。

さらに圧縮機ロータには、発電のためのジェネレータ１１が連結されている。

圧縮機１２の空気流入部には、圧縮機質量流量ｍ_ｖを調節可能で、長手軸を回って旋回可能な圧縮機流入静翼１３が備わっている。これらの静翼１３は、単に概略的に表わされている。タービンユニット１４は、実施例に従えば、互いに連続する全部で４つのタービン段１４_ａ、１４_ｂ、１４_ｃ、１４_ｄを備え、これらは唯一の図において、同様に単に概略的に表わされている。

運転中に圧縮機１２は周囲空気を吸引し、この周囲空気を圧縮して、燃焼室１６に供給する。圧縮空気はそこで燃料Ｂと混合され、炎の中で高温ガスＨＧに燃焼される。高温ガスＨＧは、タービンユニット１４の入口に流入し、タービンユニット１４のさらに表わされていないタービン翼で、仕事をしながら減圧される。このようにして発生する排ガスＲＧは、タービンユニット１４の出口で、表わされていない排ガスディフューザを介して流出する。その後排ガスＲＧは、煙突を介して周囲に排出されるか、あるいは排ガスＲＧは、廃熱蒸気発生器として排ガスに含まれる熱エネルギーを蒸気の発生に利用するいわゆるボイラーに供給される。それから廃熱蒸気発生器で作られた蒸気は、さらに表わされていない蒸気タービンを駆動するためにあるいはプロセス蒸気としても使われる。

燃料質量流量ｍ_Ｂと圧縮機質量流量ｍ_Ｖとを使って、ガスタービン１０によってもたらされるべき出力を調節できる。

ガスタービン１０がその定格出力以下で運転され、それによってガスタービン１０が、当該ガスタービン１０によって最大限もたらされ得る可能な出力の一部のみを圧縮機シャフトでジェネレータ１１に利用させる場合、ＣＯ排出量を削減するために、燃焼室１６内で出る燃焼温度もしくは一次燃焼領域温度を、燃料質量流量ｍ_Ｂが一定の場合に、圧縮機流入静翼１３を回転でさらに閉じることによって、高めることが意図されている。ガスタービン１０はすでに部分負荷運転中であり、タービン入口での高温ガスＨＧの温度はすでにタービン入口の最高許容温度より低いので、タービン入口に設けられた部材が、それらの耐久年数を短縮するであろう、許容できないほど高い材料温度を経験することなく、燃焼温度をさらに上げることができる。しかしながら、同時に排ガス温度が、燃焼温度の上昇によって、許容できないほど高くなりかねないので、ガスタービン１０の最後から２番目のタービン段１４Ｃの下流、および／あるいはガスタービン１０の最後のタービン段１４ｄの下流で、排ガスＲＧにおいて燃焼温度の上昇によって起こる排ガス温度の上昇を少なくとも部分的に相殺する気体状あるいは液体状の媒体Ｍが供給されることが意図されている。

１０ ガスタービン
１１ ジェネレータ
１２ 圧縮機
１３ 圧縮機流入静翼
１４ タービンユニット
１４ａ タービン段
１４ｂ タービン段
１４ｃ タービン段
１４ｄ タービン段
１６ 燃焼室
Ｂ 燃料
ＨＧ 高温ガス
Ｍ 媒体
ＲＧ 排ガス
ｍ_Ｖ 圧縮機質量流量
ｍ_Ｂ 燃料質量流量

Claims (6)

1. ガスタービン（１０）をその定格出力以下で運転するための方法であって、
   出されるガスタービン出力が下がると、前記ガスタービン（１０）の排ガス（ＲＧ）中のＣＯ排出量が増加する方法であって、
   ＣＯ排出量の所与の限界値に達した場合、もしくは出されるガスタービン出力の所与の限界値を下回った場合、前記ガスタービン（１０）の燃焼室（１６）内の燃焼温度を上げ、燃焼温度の上昇によって生じる前記ガスタービン（１０）の排ガス出口での排ガス温度の上昇を、液体状もしくは気体状の媒体（Ｍ）を添加することで、少なくとも部分的に相殺する方法。
2. 前記媒体（Ｍ）の添加後に出る排ガス温度が、定格出力時に同じ箇所で現れる排ガス温度とほとんど同じであるか、もしくはほんのわずかだけこの温度よりも高くなるくらいまで、負荷の変化なしに燃焼温度が上げられ、媒体（Ｍ）の添加量が選択される、請求項１に記載の方法。
3. 燃焼温度を上げるために、前記燃焼室（１６）に供給される燃料（Ｂ）の量が増やされ、および／もしくは前記燃焼室（１６）に供給される燃焼空気の量が、前記ガスタービン（１０）の圧縮機（１２）の流入静翼（１３）を回転でさらに閉じることによって減らされる、請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 気体状の前記媒体（Ｍ）は、前記ガスタービン（１０）に後設された蒸気タービン発電所のプロセス蒸気から取り出される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記媒体（Ｍ）は、前記ガスタービン（１０）の最後から２番目のタービン段（１４_ｃ）の下流で、排ガス（ＲＧ）に供給される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記媒体（Ｍ）は、前記ガスタービン（１０）の最後のタービン段（１４_ｄ）の下流で、排ガス（ＲＧ）に供給される、請求項５に記載の方法。

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