JP2016514801A - ガスタービンのｃｏ排出を低減するための方法およびガスタービン - Google Patents

Abstract

コンプレッサ（６）と、タービン（１０）と、前記コンプレッサ（６）の上流に接続された空気予熱器（２２）とを有するガスタービン（１）のＣＯ排出を低減するための方法は、ＣＯ排出の低減の質を損なうことなく、技術的により簡単な制御を可能にすべきである。そのために前記空気予熱器（２２）の伝熱性能は、前記コンプレッサ（４）の入口温度に対する最小値に基づいて制御され、当該最小値は前記ガスタービン（１）の絶対出力の関数として設定される。

Description

本発明はコンプレッサと、タービンと、コンプレッサの上流に接続された空気予熱器とを有するガスタービンのＣＯ排出を低減するための方法に関する。本発明はさらに、コンプレッサと、タービンと、コンプレッサの上流に接続された空気予熱器と、コンプレッサと空気予熱器との間に設けられているとともにデータ出力側でガスタービンの制御装置と接続されている温度測定装置と、データ出力側で制御装置と接続されている出力測定装置と、空気予熱器の伝熱性能を制御するための手段であって、制御入力側で制御装置と接続されている手段と、を有するガスタービンに関する。

固定式ガスタービンは、発電設備において電力を発生させるために用いられることが多い。送電網においてガスタービン発電設備は非常に柔軟に適用可能である。ガスタービン発電設備が迅速な負荷変更の可能性を提供しているためである。再生可能エネルギーが拡大するまさにその時代において、当該再生可能エネルギーは例えば風力や日射に応じて不規則的にしかエネルギーを作り出せないものであるから、ガスタービン発電設備はその柔軟性によってこのような出力変動を補償する可能性を提供している。

しかしながらこのとき、出力が必要とされない場合に、ガスタービンの運転を停止させ、（再び）運転を開始することは望ましくない。エネルギー的に不都合である一方、温度変動が生じることによりガスタービンの構成要素に高い機械的負荷がかかるという理由による。これはガスタービンの寿命を減少させる。とりわけ重要なのは、始動にある程度の時間が必要であり、それにより送電網からの出力要請があった際の反応速度が低減されてしまうことである。従って出力が必要とされない場合、ガスタービンを部分負荷において、できるだけ小さい出力で運転し続けることが望ましい。

しかしながらこのとき、最小可能出力は多くの場合、技術的な状況によって規定されるのではなく、むしろ排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）排出の限界値に関する法律的な規定によって決定される。出力が低減するとすなわち、燃焼室内の燃焼温度が低下し、それにより燃焼は不完全にしか行われず、ＣＯの発生が助長される。

改善を行うために多くの場合、空気予熱器が用いられ、当該空気予熱器はコンプレッサの入口に設けられている。空気予熱器を用いて、コンプレッサ入口温度が高められ、それにより最終的に燃焼温度が高められ、それとともに排ガス中のＣＯ含有量が低下する。空気予熱器を制御するために、伝熱性能を制御するための相応の手段が設けられており、当該手段は制御入力側でガスタービンの制御装置と接続されている。

空気予熱器と、空気予熱器の伝熱性能の制御は通常、比較的複雑である。ＣＯ排出が典型的に、ガスタービンの相対出力の関数であるためである。つまりこれにより、空気予熱器の運転開始点および運転停止点はガスタービンの相対出力に基づいて、すなわちガスタービンの最大可能出力に関連して規定されている。このとき最大可能出力は、実際の外部温度に依存し、それにより外部温度のための測定装置が設けられていなければならない。空気予熱器の運転が開始されると通常、当該空気予熱器が達成すべき温度上昇が設定される。すなわち、コンプレッサと空気予熱器との間にさらなる温度測定装置が設けられており、当該さらなる温度測定装置は吸引された空気が空気予熱器を通過する前と後の温度差を測定する。この温度差に対して目標値が設定され、当該目標値に基づいて空気予熱器の伝熱性能が制御される。このとき当該目標値もまた典型的に、外部温度に依存している。

このように全体として空気予熱器の制御は非常に手間がかかる。運転開始点および運転停止点を決定するために実際の相対出力を算出することがすでに、ある程度の計算の手間を必要とし、空気予熱器を介して実際に実現すべき温度差を測定することも同様に手間がかかる。

従って本発明の課題は、ガスタービンのＣＯ排出を低減するための方法およびガスタービンであって、ＣＯ排出の低減の質を損なうことなく、技術的により簡単な制御を可能にするものを記載することである。

上記の課題は方法に関して本発明により、空気予熱器の伝熱性能がコンプレッサの入口温度に対する最小値に基づいて制御され、当該最小値はガスタービンの絶対出力の関数として設定されることによって解決される。

このとき本発明は、特に実際の外部温度に対する依存性が除去されることにより、技術的な制御が簡易化されるのではないかという考察から出発している。そのためにはまず、コンプレッサ入口温度に対して、外部温度に依存していない固定された最小値が設定されるべきものと想定される。さらに相対出力に依存する従来の運転開始点および運転停止点も省略されるべきものと想定される。そのため一般的に、制御がガスタービンの相対出力に依存していることがなくならなければならない。相対出力は最大出力に基づいて百分率で計算されるが、当該最大出力が同様に外部温度に依存しているためである。従ってコンプレッサ入口温度に対する最小値は、ガスタービンの絶対出力のみに依存して設定されるべきものと想定される。このとき驚くべきことに、このように制御された空気予熱であって、技術的に大幅により簡単に実現される空気予熱は、ガスタービンの効率に関しても、ＣＯ低減の効率に関しても従来の複雑な制御と少なくとも同等であることが判明した。

前記方法の有利な構成において、関数はガスタービンのためのモデル計算に基づいて決定される。これによりコンプレッサ入口温度のための最小値の、ガスタービンの絶対出力に対する依存性は、理論に基づいて特定のガスタービンに対して個別に決定される。これは対応する熱力学データ処理プログラムによって行われてよい。このとき関数は、個々のガスタービン設備の技術的な状況にも、当該ガスタービン設備の立地における法律的なＣＯ排出規定にも適合される。このとき有利には対応する安全保障も組み込まれ、それによりいかなるときもＣＯ適合された運転を確実に行う。

関数はこのとき有利には単調減少する。すなわち、ガスタービンの比較的大きな絶対出力値に対して、コンプレッサ入口温度のための比較的小さい最小値が設定される。これにより、部分負荷運転時、すなわち絶対出力が比較的小さいとき、コンプレッサに入る空気の予熱が行われることが保証される。まさに出力が小さいとき、すなわちガスタービンの燃焼室における燃焼温度が低下してゆくために、ＣＯ排出は増大する。

さらなる有利な構成において、関数はガスタービンの出力に対する下限値の下および／または上限値の上において一定である。すなわち空気予熱はまた、ガスタービンの出力に影響を及ぼすので、当該領域におけるフィードバックはこうして回避される。制御はこれにより安定化される。

関数はまた、限界値の間で有利に直線的な形を取る。この点もガスタービンの運転中の制御の安定性を高める。

下限値を下回るとき、関数は有利には、およそ２０℃から５０℃の値を有し、かつ／または、上限値を上回るとき、関数は有利には、およそ−２０℃の値を有する。これによりガスタービンの出力が上限値の上回って、外部温度が十分であるとき、システムの停止が引き起こされる。出力が小さいときは、ＣＯ排出の所望の低減を実現するために、最小値は２０℃から５０℃で十分である。

ガスタービンにおいてＣＯ排出は、上記の方法を用いて有利なやり方で低減される。

ガスタービンに関して上記の課題は、関数が制御装置に格納されており、当該関数はコンプレッサの入口温度に対する最小値をガスタービンの絶対出力に依存して設定することにより、解決される。

有利な構成において、空気予熱器は熱交換器を含んでいる。当該熱交換器は、コンプレッサに流入する空気への特に効果的かつ良好に制御可能な伝熱を可能にし、さらに当該伝熱は物質移動なしに行われる。これにより熱交換器は空気流に対して閉鎖されており、それにより熱交換器の回路内部で最適化された熱伝導媒体、例えば水とグリコールの混合物が用いられ得る。このとき熱交換器は格子管としてコンプレッサの入口の前に形成されていてよい。

発電設備は有利には上記のガスタービンを含んでいる。

このとき発電設備は有利には、複合サイクル発電設備として形成されており、すなわち蒸気タービンを含んでいる。このときガスタービンの排ガスは蒸気発生装置を介してガイドされ、当該蒸気発生装置の生じさせられた蒸気は蒸気タービンを駆動するために用いられる。これにより排ガスの熱エネルギーが利用され、これは設備全体の効率を著しく高める。

有利な構成において熱交換器はこのとき、発電設備の蒸気タービンに対して設けられている部分に熱交換器を備える熱回路の部分である。言い換えれば、コンプレッサに流入する空気を予熱するための熱エネルギーは蒸気タービンにおいて、例えば低圧領域において取り出される。これにより空気予熱を作動させた状態で、設備全体の効率が最適化される。

本発明によって実現される有利点は特に、ガスタービンの絶対出力のみに依存している入口温度最小値の設定により、技術的に大幅により簡単に実現される空気予熱器の制御が可能とされることである。制御の運転開始および運転停止の別個の限界はもはや必要ではない。同様に制御を行うために外部温度はもはや必要とされず、それにより必要とされる測定技術の手間が減少する。ガスタービンの制御技術は同様に簡略化され得る。入力値として必要とされるのは絶対的なガスタービン出力のみであり、当該絶対的なガスタービン出力は典型的に測定値としていずれにせよ存在するからである。必要とされる関数の作成は、個々のガスタービンに対して具体的に迅速に行われ得、従来の方法よりも正確な運転方法を可能にする。

図面に表示される実施の形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。図面に示すのは以下の通りである。

複合サイクル発電設備におけるガスタービンを概略的に示す図である。 相対的なガスタービン出力に依存するＣＯ排出の関数曲線を示す図である。 絶対的なガスタービン出力に依存するコンプレッサ入口温度のための最小値の関数曲線を示す図である。

全ての図において、同じ部材には同一の参照番号が付されている。

図１には、ガスおよび蒸気タービン（複合サイクル）発電設備２におけるガスタービン１が概略的に示されている。ガスタービン１は流体機関であり、当該流体機関では圧力下にある気体が膨張する。ガスタービンは軸線を形成する軸４上に、気体の流れ方向Ｓにおいて、コンプレッサ６、燃焼室８、およびタービン１０を含んでいる。

作用原理は循環プロセス（ジュールサイクル）に基づいている。すなわち空気はコンプレッサ６の入口で吸引され、圧縮され、燃焼室８内で燃料と混合され、点火が行われる。続いて高温混合気はタービン１０において膨張させられ、排ガスとしてタービン１０の出口において排出される。タービンでは熱エネルギーが機械エネルギーに変換され、まずコンプレッサ６を駆動する。残りの部分は、詳細には示されていない発電機を駆動するために用いられる。

図１に示される複合サイクル発電設備２において、ガスタービン１の排ガスは蒸気発生器１２に導入され、当該蒸気発生器において作り出される蒸気は、蒸気導管１４を介して蒸気タービン１６を駆動するために用いられる。蒸気タービン１６は図１において別個の軸１８に設けられているが、ガスタービン１と同一の軸４に設けられていてもよい。蒸気タービン１６の膨張させられた蒸気は凝縮器２０にガイドされ、当該凝縮器から再び蒸気発生器１２に供給される。

ガスタービン１のコンプレッサ６およびタービン１０も、蒸気タービン１６も、ハウジング内で軸方向において、詳細には示されていないガイド翼と動翼を交互に備えている。ガイド翼は個々の軸４，１８の周囲に沿って、円を形成するように設けられている。ガイド翼から成るこのような円はガイド翼車とも称される。動翼もリング状に動翼車として、個々の軸４，１８に回転式に設けられている。ガイド翼車は、流れ側で先行する、もしくは後続の動翼車と共にコンプレッサ段もしくはタービン段と称される。

コンプレッサ６の入口の前に空気予熱器２２が設けられている。当該空気予熱器は熱交換器２４を含んでおり、当該熱交換器は格子状に設けられた導管から形成されている。当該導管は、コンプレッサ６に入る空気の入口物質流に対して最適な入熱が行われるように構成されている。熱交換器２４はこのとき、凝縮器２０におけるさらなる熱交換器２８と、流量制御弁３０とを備える熱回路２６の部分であり、当該流量制御弁によって熱回路２６内の水とグリコールの混合物の循環が制御され得る。

流量制御弁３０は制御入力側で制御装置３２と接続されており、当該制御装置は熱回路２６内の流量を制御し、それによりコンプレッサ６の前の空気への放熱を制御し得る。制御装置３２は記憶装置３４を有している。

空気予熱器２２はコンプレッサ６により吸引可能な空気を加熱するために用いられ、それにより部分負荷運転時に、ガスタービン１の排ガス中のＣＯ含有量を、法律的に設定された限界を下回るように保つ。制御装置３２はそのためにデータ入力側で、ガスタービンの出力に対する出力測定装置３６と、空気予熱器２２とコンプレッサ６の間の温度測定装置３８とに接続されている。

図２はガスタービン１の排ガス中のＣＯ含有量の関数依存性を明らかにするグラフを示している。百分率で表されたガスタービンの相対出力（ＰＫＬ）に対して、百万分率（ｐｐｍ）で表されたＣＯ含有量が示されている。ここではＣＯ含有量に対する絶対値は示されていない。ＣＯ含有量は具体的な個々のガスタービン１に依存しているからである。このとき１００パーセントは、全負荷におけるガスタービン１の出力に相当する。しかしながら当該全負荷出力は外部温度に依存している。

図２は例として、詳細には規定されていない二つの法律的な限界値（ｐｐｍ−限界値１，ｐｐｍ−限界値２）であって、複合サイクル発電設備２の立地場所における法律に応じて存在し得る限界値を示している。曲線は同様に例として、二つの異なる複合サイクル発電設備（プロジェクト１，プロジェクト２）に対する排ガス中のＣＯ含有量のための二つの異なる数値を示している。

最小値は制御装置３２において、記憶装置３４に格納されるとともに図３に示されている関数に基づいて、ガスタービン１の絶対出力のみから算出される。関数は熱力学的な理論上のモデル計算に基づいて、あらかじめガスタービン１に対して個別に決定されたものである。実際の絶対的なガスタービン出力は、制御装置３２に対して、出力測定装置３６から利用可能であり、それによりいかなるときでもコンプレッサ６における入口温度のための最小値が得られる。

図３は関数、すなわちメガワット（ＭＷ）で表された絶対的なガスタービン出力に対して、セ氏温度で表されたコンプレッサ入口温度（Ｔ２）のための最小値を示している。関数はここでも例示的にのみ、特定のガスタービン１に対して決定されるので、絶対出力に対して具体的な数値は示されていない。第一の限界値までの第一の領域において、曲線は２０℃において一定に推移している。代替的に、例えば５０℃までのより高い数値が可能である。より大きな第二の限界値以降、ガスタービン１の最大出力までの第二の領域において、曲線は−２０℃において同様に一定に推移している。上記の限界値の間で、曲線は概ね直線的に推移する。このとき曲線は一貫して一定かつ単調に減少する。

実際にガスタービン１によってもたらされる出力では、温度測定装置３８によって検出されるコンプレッサ入口温度Ｔ２が、当該出力に属するコンプレッサ入口温度Ｔ２に対する最小値を下回る場合に限って、制御装置３２は流量制御弁３０を介して、空気予熱器２２およびそれとともにコンプレッサ６に流入する空気への入熱を制御する。コンプレッサ入口温度Ｔ２が最小値を下回っている限り、コンプレッサ入口温度Ｔ２が最小値に到達するまで、流量制御弁３０がさらに開放されることにより、連続的に供給される入熱は増大させられる。これにより、排ガス中に許容できないほど高い排出物が発生することは回避される。コンプレッサ入口温度Ｔ２が、空気予熱器２２を作動させなくても最小値を上回っている間は、流量制御弁３０は完全に閉鎖されたままである。

コンプレッサ入口温度に対する最小値であって、絶対的なガスタービン出力のみに依存して確定されている最小値に基づいて空気予熱器２２を制御することにより、ガスタービン１の排ガス中のＣＯ含有量の低減は制御技術的に、特に簡単に実現される。

１ ガスタービン
２ 複合サイクル発電設備
４ 軸
６ コンプレッサ
８ 燃焼室
１０ タービン
１２ 蒸気発生器
１４ 蒸気導管
１６ 蒸気タービン
１８ 軸
２０ 凝縮器
２２ 空気予熱器
２４ 熱交換器
２６ 熱回路
２８ 熱交換器
３０ 流量制御弁
３２ 制御装置
３４ 記憶装置
３６ 出力測定装置
３８ 温度測定装置
Ｓ 気体の流れ方向
Ｔ２ コンプレッサ入口温度
ｐｐｍ−限界値１ 法律的な限界値
ｐｐｍ−限界値２ 法律的な限界値
プロジェクト１ 複合サイクル発電設備
プロジェクト２ 複合サイクル発電設備
ＰＫＬ ガスタービンの相対出力

Claims (11)

1. コンプレッサ（６）と、タービン（１０）と、前記コンプレッサ（６）の上流に接続された空気予熱器（２２）と、を有するガスタービン（１）のＣＯ排出を低減するための方法であって、
   前記空気予熱器（２２）の伝熱性能は、前記コンプレッサ（６）の入口温度に対する最小値に基づいて制御され、かつ、
   当該最小値は前記ガスタービン（１）の絶対出力の関数として設定される方法。
2. 前記関数は、前記ガスタービン（１）のためのモデル計算に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記関数は単調減少する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記関数は、前記ガスタービン（１）の出力に対する下限値の未満および／または上限値より上では一定である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記関数は前記限界値の間で直線的に推移する、請求項４に記載の方法。
6. 前記関数は前記下限値未満ではおよそ２０℃の値を有し、および／または前記上限値より上ではおよそ２０℃の値を有している、請求項４または５に記載の方法。
7. コンプレッサ（６）と、タービン（１０）と、前記コンプレッサ（６）の上流に接続された空気予熱器（２２）と、前記コンプレッサ（６）と前記空気予熱器（２２）との間に設けられているとともにデータ出力側でガスタービン（１）の制御装置（３２）と接続されている温度測定装置（３８）と、前記データ出力側で前記制御装置（３２）と接続されている出力測定装置（３６）と、前記空気予熱器（２２）の伝熱性能を制御するための手段（３０）であって、制御入力側で前記制御装置（３２）と接続されている手段（３０）と、を有するガスタービン（１）であって、
   前記コンプレッサ（６）の入口温度に対する最小値を前記ガスタービン（１）の絶対出力に依存して設定する前記制御装置（３２）に関数が格納されている、ガスタービン（１）。
8. 前記空気予熱器（２２）は熱交換器（２４）を含んでいる、請求項７に記載のガスタービン（１）。
9. 請求項７または８に記載のガスタービン（１）を有する発電設備（２）。
10. 蒸気タービン（１６）を含んでいる請求項９に記載の発電設備（２）。
11. 前記熱交換器（２４）は、前記発電設備（２）のうち前記蒸気タービン（１６）に対して結合されている部分に熱交換器（２８）を備える熱回路（２６）の一部である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の発電設備（２）。

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