JP2019173643A - 燃料供給装置及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】リークチェック時の圧力変動を抑え、リークチェックを簡便とする。【解決手段】第１のガス燃料を燃焼器に供給する第１の供給管と、前記第１の供給管の入口近傍及び出口近傍に設けられる第１及び第２の開閉弁と、前記第１のガス燃料よりも液化温度が低い第２のガス燃料を前記燃焼器に供給する第２の供給管と、前記第１の供給管における第１の開閉弁と第２の開閉弁との間と前記第２の供給管とを接続する接続管と、前記接続管に設けられる第３の開閉弁と、前記第１の供給管に備えられるリークチェック用計測装置とを備え、前記第２のガス燃料を導入することにより前記第１の供給管のリークチェックを行う。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料供給装置及びガスタービンに関する。

下記特許文献１には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。すなわち、この燃焼装置及びガスタービンは、天然ガスにアンモニア（燃料用アンモニア）を予混合させて燃焼器に供給することによりタービンを駆動する燃焼排ガスを得ると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的として、燃焼器内の下流側に燃焼領域で発生した窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアを用いて還元する還元領域を形成するものである。

特開２０１６−１９１５０７号公報

ところで、アンモニア等のガス燃料の燃焼器への供給管において、供給管内の温度及び圧力等を計測し、リークチェックを実施する場合がある。しかしながら、ガス燃料の供給管は、リークチェック時に加熱保持する必要がある。しかしながら、加熱時において供給管内の温度分布が生じるため、圧力変化や、供給管内の局所的な温度低下によるガス燃料の液化が発生し圧力の低下が発生する。内部のガス燃料の液化や温度変化に伴う圧力変化は、リークチェックにおける弊害となりうる。従来技術においては、上述の課題を解消すべく、ヒータ等により供給管の温度を調整している。しかしながら、上記の手法では、供給管の温度調整に時間がかかり、手順が煩雑となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、リークチェック時の圧力変動を抑え、リークチェックを簡便とすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、燃料供給装置に係る第１の解決手段として、第１のガス燃料を燃焼器に供給する第１の供給管と、前記第１の供給管の入口近傍及び出口近傍に設けられる第１及び第２の開閉弁と、前記第１のガス燃料よりも液化温度が低い第２のガス燃料を前記燃焼器に供給する第２の供給管と、前記第１の供給管における第１の開閉弁と第２の開閉弁との間と前記第２の供給管とを接続する接続管と、前記接続管に設けられる第３の開閉弁と、前記第１の供給管に備えられるリークチェック用計測装置とを備え、前記第２のガス燃料を導入することにより前記第１の供給管のリークチェックを行う、という手段を採用する。

本発明では、燃料供給装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１の開閉弁を閉弁状態、かつ第２及び第３の開閉弁を開弁状態とすることにより前記第１の供給管内に残留する前記第１のガス燃料を前記第２のガス燃料で置換し、当該置換の後に前記第１及び第２の開閉弁を閉弁状態、かつ第３の開閉弁を開弁状態とすることにより前記第１の供給管内を加圧し、当該加圧の後に前記第１〜第３の開閉弁を閉弁状態として前記第１の供給管のリークチェックを行う、という手段を採用する。

本発明では、燃料供給装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記置換の前に前記第１及び第３の開閉弁を閉弁状態、かつ、第２の開閉弁を開弁状態とする、という手段を採用する。

本発明では、燃料供給装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記第１の供給管において前記第２の開閉弁の後段に一端が接続されるガス抜き管をさらに備え、前記置換あるいは前記減圧による前記第１のガス燃料を前記ガス抜き管を用いて前記第１の供給管から外部に排出する、という手段を採用する。

本発明では、燃料供給装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記燃焼器における前記第１のガス燃料と前記第２のガス燃料との混焼の終了時にも前記第１の供給管に前記第２のガス燃料を導入する、という手段を採用する。

また、本発明では、燃料供給装置に係る第６の解決手段として、前記第１のガス燃料はアンモニアであり、前記第２のガス燃料は天然ガスである、という手段を採用する。

また、本発明では、ガスタービンに係る第１の解決手段として、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料供給装置を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、第１の供給管に第２のガス燃料を導入することで、リークチェック時の圧力変動を抑え、リークチェックを簡便とすることが可能である。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、（ａ）が構成を示す模式図であり、（ｂ）が動作手順を示す表である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るガスタービンＡは、図１に示すように、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、還元触媒チャンバ４、タンク５、ポンプ６、気化器７、燃料供給部８及び不図示の制御装置を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８は、本実施形態における燃焼装置Ｃを構成している。このようなガスタービンＡは、発電機Ｇの駆動源であり、所定の燃料を燃焼させることにより回転動力を発生させる。

圧縮機１は、外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機１は、上記圧縮空気を主に燃焼用空気として燃焼器２に供給する。

燃焼器２は、上記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、当該燃焼ガスをタービン３に供給する。また、燃焼器２には、気体状態のアンモニア（第１のガス燃料）が供給されている。燃焼器２は、図２及び図３（ａ）に示すように、ケーシング２ａ、ライナ２ｂ、整流器２ｃ、燃料供給管２ｄ（第２の供給管）、燃料ノズル２ｅ、アンモニア供給管２ｆ（第１の供給管）、複数のアンモニア噴射ノズル２ｇ、接続管２ｈ、ガス抜き管２ｉ、温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋを備えている。温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋは、リークチェック用計測装置を構成している。また、燃焼器２は、図３（ａ）に示すように、上述の制御装置により制御されるバルブＶ１〜Ｖ５を備えている。なお、本実施形態において燃料（第２のガス燃料）は、気体状態の天然ガスを使用している。天然ガスは、アンモニアよりも液化温度が低い特性を有している。

ケーシング２ａは、ライナ２ｂを収容する略円筒状の容器である。このケーシング２ａは、一端に燃料ノズル２ｅ及び整流器２ｃが取り付けられており、他端に排気口Ｅが形成されている。ライナ２ｂは、このようなケーシング２ａに対して略同軸状に設けられた筒状体であり、内部空間が燃焼室Ｎである。なお、図２に示すライナ２ｂの中心軸Ｌの方向は、燃焼室Ｎ内における主流の流れ方向（主流方向）である。また、ライナ２ｂには、内周面に沿って冷却空気が供給されており、内周面近傍に冷却空気層が形成されている。

燃料供給管２ｄは、燃料供給部８及び燃料ノズル２ｅと接続された配管である。この燃料供給管２ｄは、燃料供給部８から供給された燃料を燃料ノズル２ｅへと案内する。燃料供給管２ｄは、入口側に第１燃料バルブＶ４が設けられ、出口側に第２燃料バルブＶ５が設けられる。

燃料ノズル２ｅは、ケーシング２ａの一端においてライナ２ｂの中心軸Ｌ上に設けられており、燃料を燃焼室Ｎ内に噴射する燃料噴射ノズルである。整流器２ｃは、ケーシング２ａの一端において上記燃料ノズル２ｅの外周に円環状に設けられており、燃焼室Ｎの一端から排気口Ｅの方向に向けて燃焼用空気を供給すると共に、ライナ２ｂの中心軸Ｌの周りに燃焼用空気の旋回流Ｓを形成する。

アンモニア供給管２ｆは、気化器７及びアンモニア噴射ノズル２ｇと接続された配管である。このアンモニア供給管２ｆは、気化器７から供給される気体アンモニアをアンモニア噴射ノズル２ｇへと案内する。また、アンモニア供給管２ｆは、入口側に第１アンモニアバルブＶ１（第１の開閉弁）が設けられ、出口側に第２アンモニアバルブＶ２（第２の開閉弁）が設けられている。さらにアンモニア供給管２ｆは、第２アンモニアバルブＶ２よりも下流側において、ガス抜き管２ｉと接続されている。

複数のアンモニア噴射ノズル２ｇは、ケーシング２ａからライナ２ｂに挿入されたノズルであり、中心軸Ｌの周りつまり火炎Ｋの周りに所定角度毎に設けられている。アンモニア噴射ノズル２ｇは、円筒状とされている。アンモニア噴射ノズル２ｇは、下流側端部がライナ２ｂの周面から挿入され、ライナ２ｂ内の径方向内側かつ火炎形成方向の上流側に傾斜して設けられている。また、アンモニア噴射ノズル２ｇは、ケーシング２ａに形成された開口及びライナ２ｂの周面に形成された開口よりライナ２ｂ内部に挿入されており、後端部がケーシング２ａの外側に固定されている。これらアンモニア噴射ノズル２ｇは、ライナ２ｂ内面から液体アンモニアを火炎Ｋに向けて噴射するノズルである。

接続管２ｈは、燃料供給管２ｄにおける第１燃料バルブＶ４と第２燃料バルブＶ５との間の部位に接続され、かつ、アンモニア供給管２ｆの第１アンモニアバルブＶ１と第２アンモニアバルブＶ２との間の部位に接続される配管である。これにより、接続管２ｈは、燃料供給管２ｄとアンモニア供給管２ｆとを接続している。また、接続管２ｈには、接続管バルブＶ３（第３の開閉弁）が設けられている。

ガス抜き管２ｉは、不図示の触媒が内部に設けられた配管であり、アンモニア供給管２ｆにおける第２アンモニアバルブＶ２の後段に設置される。ガス抜き管２ｉは、気体アンモニアまたは気体アンモニア及び燃料の混合気体を触媒により分解した後に大気中に放出させるために設けられる。

温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋは、アンモニア供給管２ｆにおいて、接続管２ｈとの接続点よりも後段であって、第２アンモニアバルブＶ２よりも上流の位置に設けられている。また、温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋは、計測した計測データを制御装置へと送信している。

なお、燃料供給管２ｄ、燃料ノズル２ｅ、アンモニア供給管２ｆ、複数のアンモニア噴射ノズル２ｇ、接続管２ｈ、ガス抜き管２ｉ、温度センサ２ｊ、圧力センサ２ｋ、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８は、本実施形態において燃料供給装置を構成している。

火炎Ｋは、燃焼室Ｎ中で酸素濃度が比較的低い領域であるが、その中心部Ｋｃは、火炎Ｋにおいて酸素濃度が最も低い領域である。複数のアンモニア噴射ノズル２ｇは、図２に示すように、主流方向における火炎Ｋの中心部Ｋｃつまり酸素濃度が最も低い領域に向けて気体アンモニアを噴射する。なお、火炎Ｋの中心部Ｋｃは、図２に示すように、１点ではなく所定の広がりを持った領域である。

タービン３は、上記燃焼ガスを駆動ガスとして用いることにより回転動力を発生する。
このタービン３は、図示するように圧縮機１及び発電機Ｇと軸結合しており、自らの回転動力によって圧縮機１及び発電機Ｇを回転駆動する。このようなタービン３は、動力回収した後の燃焼ガスを還元触媒チャンバ４に向けて排気する。還元触媒チャンバ４は、内部に還元触媒が充填されており、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）に還元する。

タンク５は、所定量の液体アンモニアを貯留する燃料タンクであり、液体アンモニアをポンプ６に供給する。ポンプ６は、タンク５から供給された液体アンモニアを所定圧に加圧して気化器７に供給する燃料ポンプである。

気化器７は、ポンプ６から供給された液体アンモニアを気化させることにより気体アンモニアを生成する。この気化器７は、気体アンモニアを還元剤として燃焼器２及び還元触媒チャンバ４の直前に供給する。なお、上述した還元触媒チャンバ４は、内部に収容した還元触媒と還元剤との協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理する。

次に、ガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃの動作について、詳しく説明する。

このガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃでは、ポンプ６が作動することによって液体アンモニアがタンク５から気化器７に供給され、気化器７で液体アンモニアが気化することによって気体アンモニアが生成される。そして、この気体アンモニアは、燃焼器２の各アンモニア噴射ノズル２ｇ及び還元触媒チャンバ４の直前に供給される。一方、燃料は、燃料供給部８から気化器７に供給され、燃料ノズル２ｅから燃焼室Ｎ内に噴射される。

一方、圧縮機１が作動することによって圧縮空気が燃焼用空気として燃焼器２の整流器２ｃに供給される。この燃焼用空気は、燃焼器２によってライナ２ｂの中心軸Ｌ周りに旋回する旋回流Ｓとしてライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に噴射される。

上記燃焼用空気は、初期的には燃焼器２からライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に向けて噴射されるが、旋回に起因する遠心力によって中心軸Ｌの直交方向つまり側方に位置するライナ２ｂの方に徐々に広がる。また、このような燃焼用空気の流れに引き連れることにより、燃料ノズル２ｅから噴射された燃料は、燃焼用空気と同様に中心軸Ｌの直交方向に徐々に広がる。そして、このように燃焼室Ｎ内で流れる燃料と燃焼用空気とが混合して火炎Ｋが燃焼室Ｎ内に形成される。

次に、燃焼器２におけるアンモニアのリークチェック方法について図３（ｂ）を参照して説明する。

燃焼器２のリークチェック時には、アンモニア供給管２ｆにおいて第１アンモニアバルブＶ１及び第２アンモニアバルブＶ２が閉弁される。これにより、アンモニア供給管２ｆ内は、第１アンモニアバルブＶ１と第２アンモニアバルブＶ２との間に気体アンモニアが残留した状態となる。そして、第２アンモニアバルブＶ２が開弁されると、アンモニア供給管２ｆ内の気体アンモニアがガス抜き管２ｉより排出され、アンモニア供給管２ｆ内が減圧される。

次に、燃料供給管２ｄの第１燃料バルブＶ４が開弁され、第２燃料バルブＶ５が閉弁された状態で、接続管バルブＶ３が開弁される。これにより、燃料がアンモニア供給管２ｆへと流入し、アンモニア供給管２ｆ内の残存アンモニアが押し出されて排出され、アンモニア供給管２ｆ内の気体アンモニアが燃料へと置換される。さらに、上述の状態で、第２アンモニアバルブＶ２が閉弁されることで、アンモニア供給管２ｆ内にさらに燃料が供給され、アンモニア供給管２ｆ内の圧力が上昇する。

第１アンモニアバルブＶ１及び第２アンモニアバルブＶ２が閉弁された状態で、接続管バルブＶ３が閉弁されると、温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋから、アンモニア供給管２ｆ内の圧力及び温度のデータが取得される。そして、不図示の制御装置により、温度センサ２ｊ及び圧力センサ２ｋから取得したデータから温度変化及び圧力降下を計測することで、リークチェックを実施する。
リークチェック完了後は、第２アンモニアバルブＶ２が開弁される。これにより、アンモニア供給管２ｆ内の気体アンモニア及び燃料がガス抜き管２ｉより急速に放出される。

また、リークチェック時以外において、例えばアンモニアと燃料との混焼終了時に、同様に接続管２ｈを介してアンモニア供給管２ｆへと燃料を導入する。これにより、燃焼器２が運転停止状態の時に、アンモニア供給管２ｆに気体アンモニアがほぼ残存せず、アンモニア供給管２ｆにおいてアンモニアが液化することがない。

本実施形態によれば、リークチェック時においてアンモニア供給管２ｆにアンモニアと概略等しい圧力で供給される燃料を導入することで、アンモニア供給管２ｆ内の圧力を一定とし、運転停止時におけるアンモニア供給管２ｆに残留する気体アンモニアの液化を防止している。これにより、アンモニア供給管２ｆ内の温度及び圧力の変化を防止することができる。したがって、アンモニア供給管２ｆにおいて温度調整を行う必要がなく、リークチェックの手順が簡便となる。

また、本実施形態によれば、リークチェック時に放出される気体をガス抜き管２ｉより外部に排出する。これにより、リークチェック時に放出された気体をライナ２ｂを通さずに適切に処理した後に外部へと排出することが可能である。

また、本実施形態によれば、リークチェック前にアンモニア供給管２ｆを減圧する。これにより、アンモニア供給管２ｆ内に燃料を導入し易くなり、気体アンモニアから燃料への置換を効率的に実施できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、ガスタービンＡの燃焼装置Ｃにおいてリークチェックを実施するものとしたが、本発明はこれに限定されず、例えばジェットエンジン等の燃焼装置や、ボイラとしてもよい。

（２）上記実施形態では、天然ガスを第２の燃料として用いるものとしたが、本発明はこれに限定されず、例えば水素等を用いることも可能である。また、同様に、第１の燃料は、アンモニアに限定されず、第２の燃料よりも液化温度の高い気体であればよい。

（３）上記実施形態では、ガス抜き管２ｉを設ける構成としたが、本発明はこれに限定されない。リークチェック時にアンモニア供給管２ｆから排出される気体アンモニアまたは気体アンモニアと燃料との混合気体は、ライナ２ｂへと放出されるものとしてもよい。

（４）また、リークチェックが予め予定されている場合には、燃焼器２の運転停止時に予めアンモニア供給管２ｆに燃料を導入し、アンモニア供給管２ｆ内の気体アンモニアを燃料へと置換しておくことも可能である。これにより、リークチェック時の手順を簡素化することが可能である。

（５）また、還元触媒チャンバ４を設けない構成としてもよい。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
２ａ ケーシング
２ｂ ライナ
２ｃ 整流器
２ｄ 燃料供給管
２ｅ 燃料ノズル
２ｆ アンモニア供給管
２ｇ アンモニア噴射ノズル
２ｈ 接続管
２ｉ ガス抜き管
２ｊ 温度センサ
２ｋ 圧力センサ
３ タービン
４ 還元触媒チャンバ
５ タンク
６ ポンプ
７ 気化器
８ 燃料供給部
Ａ ガスタービン
Ｃ 燃焼装置
Ｅ 排気口
Ｇ 発電機
Ｋ 火炎
Ｋｃ 中心部
Ｖ１ 第１アンモニアバルブ
Ｖ２ 第２アンモニアバルブ
Ｖ３ 接続管バルブ
Ｖ４ 第１燃料バルブ
Ｖ５ 第２燃料バルブ

Claims (7)

1. 第１のガス燃料を燃焼器に供給する第１の供給管と、
   前記第１の供給管の入口近傍及び出口近傍に設けられる第１及び第２の開閉弁と、
   前記第１のガス燃料よりも液化温度が低い第２のガス燃料を前記燃焼器に供給する第２の供給管と、
   前記第１の供給管における第１の開閉弁と第２の開閉弁との間と前記第２の供給管とを接続する接続管と、
   前記接続管に設けられる第３の開閉弁と、
   前記第１の供給管に備えられるリークチェック用計測装置とを備え、
   前記第２のガス燃料を導入することにより前記第１の供給管のリークチェックを行うことを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記第１の開閉弁を閉弁状態、かつ第２及び第３の開閉弁を開弁状態とすることにより前記第１の供給管内に残留する前記第１のガス燃料を前記第２のガス燃料で置換し、当該置換の後に前記第１及び第２の開閉弁を閉弁状態、かつ第３の開閉弁を開弁状態とすることにより前記第１の供給管内を加圧し、当該加圧の後に前記第１〜第３の開閉弁を閉弁状態として前記第１の供給管のリークチェックを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記置換の前に前記第１及び第３の開閉弁を閉弁状態、かつ、第２の開閉弁を開弁状態とすることにより前記第１の供給管内を減圧することを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
4. 前記第１の供給管において前記第２の開閉弁の後段に一端が接続されるガス抜き管をさらに備え、
   置換あるいは減圧による前記第１のガス燃料を前記ガス抜き管を用いて前記第１の供給管から外部に排出することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料供給装置。
5. 前記燃焼器における前記第１のガス燃料と前記第２のガス燃料との混焼の終了時にも前記第１の供給管に前記第２のガス燃料を導入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
6. 前記第１のガス燃料はアンモニアであり、前記第２のガス燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料供給装置を備えることを特徴とするガスタービン。

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