JP3775718B2 - 発電プラントおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラント及びその運転方法に関する。更に詳述すると、本発明は炭化水素系燃料（ＬＮＧ、灯油、軽油またはそれらの混合燃料）を燃焼させるガスタービン燃焼器と、その燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて駆動され電力を出力する発電機とを含む発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の発電プラントで使用されるガスタービン燃焼器において実施されるサーマルＮＯｘ低減手法としては、バーナに設けた空気旋回器を通過する燃料用空気中に水または水蒸気を混合し、燃焼ガスの温度を低下させる手法が知られている。
【０００３】
また、炭化水素系燃料を燃焼用空気と予混合して供給することにより、燃焼ガス温度を均一に低減させ、サーマルＮＯｘを抑制する技術（希薄予混合燃焼法）が知られている。この燃焼法では、保炎を目的としてバーナにおけるガス温度を一定以上に保つため、尾筒にバイパス弁を設備してガスタービン負荷に応じて燃焼用空気の供給量、供給位置を変更して、バーナ近傍の当量比を高く保つ手法や、燃料ノズルをマルチバーナ方式として使用する負荷に応じてバーナを変更するなどの手法を採用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水や水蒸気を混合して火炎の温度を下げようとしても、拡散燃焼の場合、局所的高温域の発生を完全に抑制することはできないので、そこからＮＯｘが発生することになる。
【０００５】
しかも、炭化水素系燃料の場合、もともと可燃範囲が狭く燃焼安定性が良くないので、ＮＯｘ低減のための工夫例えば空気過剰率を増したり部分燃焼法を採用したりすることが難しいという問題を有している。そこで、ＮＯｘ低減に好適と考えられている希薄予混合燃焼法を利用したガスタービン燃焼器においても、燃焼安定性に乏しいことから、予め燃料と空気とを完全に均一な状態で混合することができず、拡散燃焼のパイロット火炎を一部利用したり、一部に燃料の濃い領域をつくり出して火種としていることが多く、そこからＮＯｘが発生するという問題を有している。特に、炭化水素系燃料を用いるガスタービン発電プラントにおいては、これまでに作動ガスの高温化によるプラント熱効率の向上が図られてきているが、今後の一層の高温化に際し希薄予混合燃焼法に代表される従来の燃焼技術では、現在のＮＯｘ排出量レベルを維持するのが難しいと予想される。このため、ガスタービンを用いた発電プラントでは燃焼安定性に優れた低ＮＯｘ燃焼技術の開発が重要な課題となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、ガスタービンを用いた発電プラントにおいて燃焼安定性に優れ、ＮＯｘ排出量の低減化を図ることができる発電プラントおよび発電プラント運転方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、炭化水素系燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて駆動され電力を出力する発電機とを含む発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の少なくとも一部を当該発電プラントから得られる熱を利用した熱分解反応または触媒を用いた反応により水素および一酸化炭素に改質して炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％とする燃料改質装置を備え、水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％に調整された炭化水素系燃料を前記ガスタービン燃焼器に供給するようにしている。また、請求項８記載の発明は、ガスタービン燃焼器で炭化水素系燃料を燃焼させることによって得られる燃焼ガスによりガスタービンを駆動して、該ガスタービンに結合された発電機を回転させて電力を出力する発電プラント運転方法において、炭化水素系燃料の少なくとも一部を発電プラントから得られる熱を利用し水素および一酸化炭素に改質して炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にしてガスタービンで燃焼させるようにしている。
【０００８】
水素は炭化水素系燃料と比べても燃料希薄可燃限界を若干広げる程度であるが、燃料速度が速く、点火エネルギーも小さくかつ消炎距離も小さく非常に燃え易い燃料である。しかも、その量が微量であれば、必要以上に燃焼速度が高くならず逆火の危険もない。したがって、可燃範囲の広い水素の存在で燃焼安定性が増し保炎し易くなる。これにより、より一層完全に近い希薄予混合燃焼法が適用できる。しかも、その水素含有率は燃焼安定性を増すのに十分な量であり、かつ１〜１０ｖｏｌ％と低いため、発電プラントから得られる熱で改質するためのコストが安価となる。更に、改質により炭化水素系燃料の温度が上がるので、改質を行わない従来の場合に比べて燃焼安定性が増す。そこで、同じ温度の燃焼ガスを得ようとする場合には、燃料を減らし空気比を上げることが可能となるので、より燃料希薄状態の燃焼を実現してＮＯｘ発生量を削減することができる。
【０００９】
さらに、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度の微量であるので、炭化水素系燃料の全量あるいは大部分を改質する場合に比べて改質に必要な酸素成分または水分（水蒸気）、熱および改質触媒を少量に抑えることができ、酸素成分または水蒸気の供給設備を簡易化してコストを低くすることができる。しかも、水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％程度であることから、触媒反応に９００〜１０００℃といった高温を必要とせず例えば４００℃程度に抑えることができることから、安価な低温触媒を利用して改質を行うことができるようになると共に、４００℃程度に下がった発電プラントからの排熱を有効に利用することができる。よって、発電コストを低減することができるようになる。また、炭化水素は条件によっては、５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合には改質触媒も必要なくなる。一方、条件によっては、炭化水素は適当な触媒で反応を制御することにより酸素成分または水分が無くても熱分解することから、その場合には、酸素成分または水分を供給する設備が必要なくなる。
【００１０】
ここで、水素含有率は、１ｖｏｌ％未満では水素の燃焼量が不十分で燃焼安定性の向上が見られず、１０ｖｏｌ％を超えると必要以上の水素を得ることとなるしそれに伴って改質のための多量かつ高温の酸素または水蒸気等を得るための設備やコストが無駄なものとなる。そこで、最小限の水素含有率に抑えことが望まれることから、１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下、好ましくは２〜３ｖｏｌ％の水素含有率とすれば、改質のために必要な設備やコストを最小限に抑えつつ、燃焼安定性とＮＯｘ排出量の低減とを同時に実現可能とすることができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の全量を燃料改質装置に導入して部分改質し、水素含有率の炭化水素系燃料を得てガスタービン燃焼器に供給するようにしている。この場合、極めて僅かな改質率であるため低温触媒を利用して発電プラントから得られる低い熱例えば４００℃程度に下がったガスタービンからの排熱等を利用して改質を行うことができ、改質のための熱源などを特段設ける必要がない。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の一部を前記燃料改質装置に導入して全量改質し、これを改質していない炭化水素系燃料と混合して前記水素含有率の炭化水素系燃料を得て前記ガスタービン燃焼器に供給するようにしている。この場合、燃料改質装置で処理すべき炭化水素系燃料の流量を最小限にできるので、燃料改質装置の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発電プラントのガスタービン燃焼器を、炭化水素系燃料と燃焼用空気とを予混合してから燃焼室内へ供給するものとしている。この場合には、可燃範囲の広い水素を少量含む希薄予混合気が生成されるため、燃料の濃い部分を有する予混合気を作らずとも燃焼安定性が向上することから、必要以上に燃焼速度が高くならず逆化の危険もなく、しかも燃料と空気の混合をより均一化してより一層完全希薄燃焼に近づけることができる。
【００１５】
ここで、改質のための熱は、請求項６記載の発明のように、発電プラントから得られる熱、例えばガスタービンの排ガスあるいはガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の尾筒、ガスタービンのタービン翼のいずれか１つあるいは２つ以上から得ることが好ましい。この場合、発電プラントから得られる熱を有効利用して改質を行うことができ、改質コストを削減することができる。特に、ガスタービンの尾筒やタービン翼から熱を得る場合には、それらの冷却性能を向上することができ、更にタービン翼から熱を得る場合にはタービン翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率を向上することができる。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、請求項１から６までのいずれか記載の発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器から排出されたガスにおける炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料の改質割合を制御する監視制御手段を有するようにしている。そして、請求項９記載の発明は、請求項８記載の発電プラント運転方法において、ガスタービン燃焼器から排出されたガスにおける炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料の改質割合を制御するようにしている。これらの場合には、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えつつ、燃焼安定性を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。図１に本発明の発電プラント１の実施形態を示す。この発電プラント１は、炭化水素系燃料２を燃焼させるガスタービン燃焼器３と、該ガスタービン燃焼器３に炭化水素系燃料２を供給する燃料供給部４と、ガスタービン燃焼器３の燃焼ガス５により駆動されるガスタービン６と、該ガスタービン６に結合されて駆動され電力を出力する発電機７とを有するものである。
【００１８】
そして、この発電プラント１は、燃料供給部４からガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２に改質のための水蒸気８を供給する酸素分供給装置９と、水蒸気８が混合された炭化水素系燃料２の一部を改質してガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にする燃料改質装置１０とを有している。燃料改質装置１０では、水蒸気８が混合された炭化水素系燃料２の少なくとも一部を発電プラント１の排熱を利用した熱分解はまた触媒を用いた反応により水素および一酸化炭素に改質するようにしている。このため、ガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２には１〜１０ｖｏｌ％程度の微量の水素が含まれていると共にガスタービン燃焼器３に供給する炭化水素系燃料２を排熱により加熱できるので、改質しない場合に比べて燃焼安定性を向上できると共にＮＯｘ排出量を低減することができるようになる。ここで、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度、好ましくは２〜３ｖｏｌ％の微量である。この場合には、炭化水素系燃料２の大部分を改質する場合に比べて改質に必要な水蒸気８が少量で足りるようになり水蒸気８の供給に必要なコストを低く抑えることができると共に、４００℃あるいは５００〜６００℃の比較的低温下での熱分解または触媒を用いた反応によっても得られる。
【００１９】
本発明者等の実験によれば、CH4 100%の燃料を約1.0vol%改質し、CH4=97.06vol%、CO=0.98vol%、H2=1.96vol%(実際には、実験においてはH2/CO体積比率を２．３３で一定としているため、CH4=98.37vol%、CO=0.49vol%、H2=1.14vol%となる)にした場合に、ほとんど未燃の炭化水素が排出されず、保炎性が格段に良くなるという知見を得た。したがって、２〜３ｖｏｌ％の水素が含有されれば燃焼安定性は十分であるし、改質のためのコストも少なくて済む。
【００２０】
図７にCH4とCOとH2の混合ガスの燃焼実験結果を示す。バーナ、実験条件によっても排ガス中の未燃成分濃度はシフトするが、一般的には以下の様な傾向があると言えると考えられる。
条件は、
・燃料組成：CH4、CO、H2の混合ガス。ただし、H2/CO体積比率は2.33で一定。
・燃焼温度=1500℃(一定)
・空気/燃料予熱温度=400℃/230℃一定
・組成例：
成分 図面上の実験点、左端から→
CH4= 100.00% 98.37% 96.67% 93.34%
H2= 0.00% 1.14% 2.33% 4.66%
CO= 0.00% 0.49% 1.00% 2.00%
この実験は、できるだけ燃料組成の相違が見られるように実験条件を設定した。H2濃度が0%の時(CO濃度は0%、CH4濃度は100%)は排ガス中の未燃炭化水素濃度が15ppmほどあったものが、H2濃度1.14%（CO濃度0.49%、CH4濃度98.37%）にすると、未燃炭化水素濃度は1.7ppmにまで低下した。更に、H2濃度が2.33〜4.66%にまで達すると、未燃炭化水素濃度は1.2〜0.8ppm(計測誤差を含む)とほぼ飽和した。つまり、LNG(ここではCH4=100%で代用)を、1%分解してCH4=99%、CO=1%、H2=2%(全体を100%と平均すると、CH4=97.06%、CO=0.98%、H2=1.96%)にすると、排ガス中の未燃炭化水素濃度を、分解しない場合の15ppmから1.2ppmにまで低減できることが分かった。
【００２１】
本実施形態では、燃料供給部４からガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２の一部２ａを取り出す分流手段１１を備えている。また、酸素分供給装置９は分流手段１１により取り出された一部の炭化水素系燃料２ａに水蒸気８を供給するものである。そして、分流手段１１で分流された一部の炭化水素系燃料２ａが燃料改質装置１０で改質ガス２ｃに改質されてから、改質されなかった炭化水素系燃料２ｂに予混合されてガスタービン燃焼器３に供給されるようにしている。ここで、燃料改質装置１０は、ガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料に占める水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にするように改質ガス２ｃを生成する。即ち、燃料改質装置１０で改質された後の燃料２ｃと直接ガスタービン燃焼器３へ送られる改質されていない炭化水素系燃料２ｂとを合わせた全炭化水素系燃料に占める水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％となる程度に燃料改質装置１０での改質が行われる。このため、燃料改質装置１０で処理する炭化水素系燃料２ａの流量を最小限にできるので、燃料改質装置１０の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００２２】
燃料改質装置１０は、水蒸気８を利用して分流された炭化水素系燃料２ａの一部あるいは全部を水素および一酸化炭素に改質する触媒を備えている。この燃料改質装置１０では、１〜１０ｖｏｌ％程度の微量の水素含有率となるように改質すれば足りるので、触媒として４００℃程度で反応する低温触媒と発電プラントからの排熱を利用することで改質を可能とする。また、炭化水素は条件によっては、５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合、燃料改質装置１０に触媒を必要とせず、さらに低いコストで運用できる。一方、条件によっては、炭化水素は適当な触媒で反応を制御することにより酸素成分が無くても熱分解することから、その場合には、酸素成分または水分を供給する設備を必要とせず、場合によっては、酸素分供給装置を有し改質装置に触媒を必要としない場合に比べて、低コストで運用できる。
【００２３】
ここで、燃料改質装置１０はガスタービン６の排気口に連結されており、ガスタービン６の排ガス１２の熱を改質作用の熱源に利用するようにしている。
【００２４】
この発電プラント１では、ガスタービン燃焼器３から排出される燃焼ガス中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を、ガスタービン６で仕事をした後のガス１２を連続的に監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料２の改質割合を制御する監視制御手段１３を有している。本実施形態では、分流手段１１とガスタービン燃焼器３との間および分流手段１１と燃料改質装置１０との間に、それぞれ流量制御弁１４，１５を設けている。そして、監視制御手段１３は、各流量制御弁１４，１５を制御することにより炭化水素系燃料２の改質割合を制御するようにしている。よって、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えつつ、ガスタービン燃焼器３での燃焼安定性を向上することができる。
【００２５】
また、監視対象となるガスは、本実施形態ではガスタービン６からの排ガス１２としている。これにより、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視することができる。但し、監視対象となるガスはこれには限られず、ガスタービン燃焼器３からの排出された直後燃焼ガス５を監視するようにしても良い。この場合も炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視することができる。
【００２６】
ガスタービン燃焼器３は、図２に示すように燃焼室１６を形成する内筒１７と、内筒１７を覆い該内筒１７の周囲に燃焼用空気の流路を形成する外筒１８と、外筒１８を貫通し外筒１８と内筒１７との間の流路・空間に燃料２ｂ，２ｃを噴射する複数本の燃料噴射ノズル２２と、燃焼器頂部に構成された１次燃料ノズル１９と、内筒１７の周面に周方向に沿って開口された２次燃料ノズル２５と、燃料噴射ノズル２２から噴射された燃料２ｂ，２ｃと燃焼用空気２４とを混合して予混合ガス３７として各燃料ノズル１９，２５に供給する予混合ダクト３８とを備える予混合燃焼器として構成されている。このため、燃料噴射ノズル２２から噴射された燃料２ｂ，２ｃは、予混合ダクト３８において燃焼用空気２４と混合されて予混合ガス３７にされてから２位置で燃焼室１６内へ噴射される。即ち、予混合ガス３７の一部は、１次燃料ノズル１９の旋回器２１を経て旋回しながら燃焼室１６に噴射して火炎２７を形成する。また、予混合ガス３７の残りは２次燃料ノズル２５から燃焼室１６に噴射されて燃焼する。これにより、希薄予混合燃焼を安定して維持し、かつ予混合ガスを２位置に分けて噴射することにより局所的高温域の発生を防いでＮＯｘの発生を抑制できる。また、燃料噴射ノズル２２を燃焼用空気２４に対して２次燃料ノズルよりも下流側に設置することにより、１次燃料ノズル１９の旋回器２１を経て旋回しながら燃焼室１６に噴射する予混合ガス中の燃料濃度を高くすることができ、より一層安定した火炎を形成することもできる。
【００２７】
１次燃料ノズル１９は、起動用燃料２３または改質ガス２ｃが供給される起動用燃料ノズル２０を備えており、起動後は改質ガス２ｃにより保炎することもできる。また、内筒１７には尾筒２６が取り付けられて燃焼ガス５をガスタービン６に案内している。
【００２８】
さらに、この発電プラント１は、ガスタービン燃焼器３に燃焼用空気２４として圧縮空気を送り込む圧縮機２８と、燃料改質装置１０からの排ガス２９の排熱を利用して蒸気３０を発生させる排熱回収ボイラ３１と、排熱回収ボイラ３１で発生された蒸気３０を利用して発電を行う蒸気タービンプラント３２とを備えている。この蒸気タービンプラント３２は、排熱回収ボイラ３１からの蒸気３０で駆動される蒸気タービン３３と、この蒸気タービン３３で得られた動力により発電を行う発電機３４と、復水器３５とを備えている。さらに、排熱回収ボイラ３１で熱交換された後の排ガス２９は煙突３６から大気に放出される。なお、これら排熱回収ボイラ３１と蒸気タービンプラント３２、および上述したガスタービン燃焼器３、燃料供給部４、ガスタービン６、発電機７、圧縮機２８は、いずれもそれ自体が本発明の特徴となるものではないので既存のものあるいは新規のものを使用することができる。
【００２９】
以上のように構成された発電プラント１の運転方法を以下に説明する。
【００３０】
発電プラント１の始動時には、起動用燃料ノズル２０から起動用燃料２３を噴射すると共に外部動力により駆動された圧縮機２８からの燃焼用空気２４を１次燃料ノズル１９の旋回器２１から吹き出す。そして、図３に示すように起動用燃料ノズル２０から噴射される起動用燃料を用いた燃焼によりガスタービン６が無負荷定格回転数に達した後、発電機７を併入して徐々に負荷を取り始めて発電量を上げ、ガスタービン負荷が２５％程度に達すると、ガスタービン負荷を一定としたまま燃料の切り替えを行う。即ち、流量制御弁１４，１５を開放して一部分の燃料２ａに水蒸気８を加えて燃料改質装置１０に供給し、部分改質された燃料と燃焼用空気との予混合ガスに徐々に切り替える。また、起動用燃料２３による運転においても、条件によっては炭化水素系燃料２または起動用燃料２３を部分的に改質し、燃料中に水素を含有させることが可能であり、その際、起動用燃料による運転を安定に実施することができる。
【００３１】
燃料改質装置１０では、ガスタービン６からの排ガス１２の排熱により触媒が加熱されている。このため、燃料２ａの炭化水素が、混合された水蒸気８と触媒作用により反応して水素および一酸化炭素に改質される。改質された燃料２ｃの一部は改質しない燃料２ｂに混合してガスタービン燃焼器３の燃料噴射ノズル２２に供給され、また改質後の燃料２ｃの残りは起動用燃料ノズル２０に供給される。そして、起動用燃料２３を絞りながら燃料２ｂ，２ｃと燃焼用空気２４の予混合ガス３７に徐々に切り換えるようにする。
【００３２】
ここで、予混合ガス３７による燃焼に切り換えても暫くは低負荷運転であるので、火炎２７の温度が低下するため、監視制御手段１３により排ガス１２中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視しながら、燃料２の改質割合を高く保つように制御する。即ち、予混合ガス３７に含まれる水素を多くすることで燃焼安定性を高める。そして、ガスタービン６の負荷が上昇するにつれて火炎温度が上昇するので、監視制御手段１３により燃料２の改質割合を徐々に低下させ水素含有率を下げるように制御する。
【００３３】
このように運用することにより、炭化水素系燃料２に比較して可燃範囲の広い水素の燃料２ｄ（改質燃料２ｃと未改質燃料２ｂとが予混合された燃料），２ｃ中の濃度を排ガス１２中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度、すなわち火炎２７の温度に応じて適切に制御することができると共に予混合ガス３７の温度を上昇できるので、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともにＮＯｘの発生量を低く抑えることが可能である。
【００３４】
そして、燃料の切り替えが完了すると、ガスタービン６の負荷を徐々に上昇させて行き、発電量を上げて行く。
【００３５】
一方、排熱回収ボイラ３１は、ガスタービン６と燃料改質装置１０とで仕事をした後の排ガス２９の排熱を蒸気タービンプラント３２の水と熱交換して蒸気３０を発生させる。排熱回収ボイラ３１で得られた蒸気３０は蒸気タービン３３に供給されこれを回転させる。蒸気タービン３３が無負荷定格回転数に達した後、発電機３４を併入して徐々に負荷を取り始めて発電量を上げて行く。蒸気タービン３３で仕事をした後の蒸気３０は復水器３５で復水されて、再び排熱回収ボイラ３１に供給される。
【００３６】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では燃焼ガス５、あるいはガスタービン６からの排ガス１２を監視して改質割合を制御する監視制御手段１３を設けているが、場合によっては監視制御手段１３は無くても良い。例えば炭化水素系燃料２の改質割合を厳密に制御する必要のない簡易な発電プラント１であれば、監視制御手段１３を設けずに設備の簡略化を図ることができる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、炭化水素系燃料の一部を分流させそれをほぼ全量改質してから改質していない残りの炭化水素系燃料と混合して１〜１０ｖｏｌ％の水素含有率の燃料として供給するようにしているが、これには特に限られず全ての燃料２を燃料改質装置１０に供給して部分改質することにより１〜１０ｖｏｌ％の水素含有率の燃料を得るようにしても良い。この場合、燃料改質装置１０において燃料２の全量に対して部分改質するように水蒸気８の量や改質温度等が調整される。この場合、全量改質よりも改質条件が緩やかとなるためプリ改質器のような４００℃程度の反応温度で分解でき、改質工程が安定操業できると共に燃料供給経路などの設備をより簡易にすることができる。
【００３８】
さらに、上述した実施形態では燃料改質装置１０での触媒作用に必要な熱をガスタービン６の排ガス１２から得るようにしているが、これには特に限られず図４および図５に示すようにガスタービン燃焼器３から得るようにしても良い。この場合における燃料改質装置１０は、例えば図５に示すようにガスタービン燃焼器３の予混合ダクト３８の中や尾筒２６の周りに設置したり、そこから熱を取り出すように構成しても良い。例えば、予混合ダクト３８に燃料改質装置１０を据え付けるときには、燃料噴射ノズル２２には予め水蒸気８と混合した燃料２を供給する。これにより、予混合ダクト３８の熱を利用して燃料改質装置１０において燃料２が改質され、水素を含有した改質ガスとされて燃焼室１６に噴射される。
【００３９】
また、尾筒２６の周囲に燃料改質装置１０を据え付けるときには、この燃料改質装置１０に予め水蒸気８と混合した燃料２を供給し、燃料改質装置１０で燃料２が尾筒２６の熱により改質されて改質ガス２ｃを得ることができる。この改質ガス２ｃをガスタービン燃焼器３に供給して燃焼させる。この場合、尾筒２６の周囲に燃料改質装置１０を据え付けることにより、尾筒２６の冷却性能を向上することができる。
【００４０】
更に、ガスタービン燃焼器３内や予混合ダクト３８、尾筒２６、タービン翼内などに燃料改質用触媒そのものを直接内蔵してガスタービン燃焼器３等の一部を改質装置として構成するようにしても良いし、これらから得られる排熱を外に取り出して燃料改質装置１０に与えるようにしても良い。
【００４１】
また、炭化水素は条件によっては５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合、燃料改質装置１０に触媒を必要とせず、さらに低いコストで運用できる。この場合においても、温度条件、ガス条件（ＬＮＧ、酸素分等）、反応時間を一定に保つ必要があるため、改質装置という器あるいは領域が存在することが好ましい。
【００４２】
なお、図４に示す発電プラント１においてガスタービン燃焼器３以外の装置、例えばガスタービン６や発電機７、蒸気タービンプラント３２等については上述した図１に示す実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図４に示す発電プラント１では監視制御手段１３や流量制御弁１４，１５を図示していないが、これらを設けることが好ましい。そして、監視制御手段１３はガスタービン６からの排ガス１２を監視するように設置すると共に、流量制御弁１４，１５は燃料ガス２のガスタービン燃焼器３および燃料改質装置１０への供給量を制御するように設置する。これにより、燃焼させる炭化水素系燃料２の改質割合を最適に制御することができるようになる。
【００４３】
また、上述した各実施形態では燃料改質装置１０での触媒作用に必要な熱をガスタービン６からの排ガス１２あるいはガスタービン燃焼器３から得るようにしているが、これには限られず図６に示すように燃料改質装置１０をタービン翼内部に設けてガスタービン６のタービン翼から熱を得るようにしても良い。この場合、燃料改質装置１０に予め水蒸気８と混合した燃料２ａを供給することによりタービン翼の熱を利用して改質ガス２ｃを得ることができる。この改質ガス２ｃはガスタービン燃焼器３に供給される。これによれば、タービン翼の冷却に圧縮機２８の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率の向上を図ることができる。
【００４４】
なお、図６に示す発電プラント１においてガスタービン６以外の装置、例えばガスタービン燃焼器３や発電機７、蒸気発電プラント１等については上述した図１に示す実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図６に示す発電プラント１では監視制御手段１３や流量制御弁１４，１５を図示していないが、図４に示す実施形態の場合と同様にこれらを設けて炭化水素系燃料２の改質割合を最適に制御することが好ましい。
【００４５】
さらに、上述した各実施形態では炭化水素系燃料２を改質するために水蒸気８を与えるようにしているが、これには限られず酸素を供給して無触媒下で改質するようにしても良い。このとき、条件によるが改質が行われる温度は例えばメタンについては約５００℃程度から分解が開始され１０００℃でほとんど（９５％）が水素と一酸化炭素に分解されることから、改質程度に応じて温度制御を行うことにより、燃料の水素含有量を１〜１０ｖｏｌ％に改質することができる。
【００４６】
また、本実施形態では希薄予混合燃焼について主に説明したが、拡散燃焼について適用することも可能である。この場合においても、改質による微量の水素の存在で保炎がし易くなるので、ＮＯｘ低減のための工夫例えば部分燃焼法の適用や空気比を高めることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の発電プラント及び請求項８記載の発電プラント及びその運転方法によれば、燃料改質により可燃範囲が広い水素が炭化水素系燃料に１〜１０ｖｏｌ％程度含められるので、炭化水素系燃料の燃焼安定性が増し、保炎し易くなる。このため、ＮＯｘ低減のための工夫がし易くなる。例えば請求項５記載の発明のような希薄予混合燃焼の場合には、可燃範囲の広い水素の存在で燃焼安定性が向上するため、予混合による燃料と空気の混合が燃料の濃い部分を作らずに均一化でき、より一層完全希薄燃焼に近づけることができ、均一燃焼による局所高温領域の減少の実現に因るＮＯｘ低減効果が得られる。また、拡散燃焼の場合にも、保炎がし易いため、ＮＯｘ低減のための空気配分の工夫例えば濃淡燃焼などの自由度が増し、より一層低ＮＯｘ化が可能となる。加えて、改質の際に炭化水素系燃料を発電プラントからの熱で加熱できるので、予混合ガスあるいは混合ガスの温度を高めて更に燃焼安定性を向上できると共に同じ燃焼温度を得ようとする場合には燃料を減らし空気比を上げることができるので、一層の燃料希薄状態を実現でき、ＮＯｘ排出量を低減することができるようになる。
【００４８】
また、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度であるので、炭化水素系燃料の大部分を改質する場合に比べて改質に必要な酸素成分または水分を少量に抑えることができるようになり設備の小型化を可能にすることができる。
【００４９】
また、請求項３記載の発電プラントによれば、炭化水素系燃料の全部を部分改質して１〜１０ｖｏｌ％程度の水素含有率とすることから、極めて僅かな改質率であるため低温触媒を利用して発電プラントから得られる低い熱例えば４００℃程度に下がったガスタービンからの排熱等を利用して改質を行うことができ、改質のための熱源などを特段設ける必要がない。このため、改質コストが安価となる。依って、発電コストを低減することができる。
【００５０】
また、請求項４記載の発電プラントによれば、燃料改質装置で処理すべき炭化水素系燃料の流量を最小限にできるので、燃料改質装置の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００５２】
また、請求項５記載の発明によれば、可燃範囲の広い水素を含む希薄予混合気が生成されるため、燃料の濃い部分を有する予混合気を作らずとも燃焼安定性が向上することから、燃料と空気の混合をより均一化してより一層完全希薄燃焼に近づけることができる。したがって、ＮＯｘの発生を低減させることができる。
【００５３】
更に、請求項６記載の発明によれば、発電プラントから得られる熱を有効利用して改質を行うことができ、改質コストを削減することができる。特に、ガスタービンの尾筒やタービン翼から熱を得る場合には、それらの冷却性能を向上することができ、更にタービン翼から熱を得る場合にはタービン翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率を向上することができる。
【００５４】
また、請求項７記載の発電プラント及び請求項９記載の発電プラント運転方法によれば、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えることができるので、燃焼安定性を更に良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電プラントを示す概略図である。
【図２】ガスタービン燃焼器を示す縦断面側面図である。
【図３】発電プラントを始動するときの燃料の改質量の変化を示すグラフである。
【図４】発電プラントの他の実施形態を示す概略図である。
【図５】ガスタービン燃焼器の他の実施形態を示す縦断面側面図である。
【図６】発電プラントの別の実施形態を示す概略図である。
【図７】排ガス中の未燃炭化水素濃度に及ぼす燃料中の水素濃度の影響を実験した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 発電プラント
２ 炭化水素系燃料
２ａ 燃料改質装置に供給される炭化水素系燃料
２ｂ 改質されずに直接ガスタービン燃焼器に供給される炭化水素系燃料
２ｃ 改質された炭化水素系燃料
２ｄ 未改質燃料と改質燃料とを予混合した燃料
３ ガスタービン燃焼器
４ 燃料供給部
５ 燃焼ガス
６ ガスタービン
７ 発電機
８ 水蒸気
９ 水蒸気供給装置
１０ 燃料改質装置
１２ ガスタービンの排ガス
１３ 監視制御手段
２６ 尾筒
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラント及びその運転方法に関する。更に詳述すると、本発明は炭化水素系燃料（ＬＮＧ、灯油、軽油またはそれらの混合燃料）を燃焼させるガスタービン燃焼器と、その燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて駆動され電力を出力する発電機とを含む発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の発電プラントで使用されるガスタービン燃焼器において実施されるサーマルＮＯｘ低減手法としては、バーナに設けた空気旋回器を通過する燃料用空気中に水または水蒸気を混合し、燃焼ガスの温度を低下させる手法が知られている。
【０００３】
また、炭化水素系燃料を燃焼用空気と予混合して供給することにより、燃焼ガス温度を均一に低減させ、サーマルＮＯｘを抑制する技術（希薄予混合燃焼法）が知られている。この燃焼法では、保炎を目的としてバーナにおけるガス温度を一定以上に保つため、尾筒にバイパス弁を設備してガスタービン負荷に応じて燃焼用空気の供給量、供給位置を変更して、バーナ近傍の当量比を高く保つ手法や、燃料ノズルをマルチバーナ方式として使用する負荷に応じてバーナを変更するなどの手法を採用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水や水蒸気を混合して火炎の温度を下げようとしても、拡散燃焼の場合、局所的高温域の発生を完全に抑制することはできないので、そこからＮＯｘが発生することになる。
【０００５】
しかも、炭化水素系燃料の場合、もともと可燃範囲が狭く燃焼安定性が良くないので、ＮＯｘ低減のための工夫例えば空気過剰率を増したり部分燃焼法を採用したりすることが難しいという問題を有している。そこで、ＮＯｘ低減に好適と考えられている希薄予混合燃焼法を利用したガスタービン燃焼器においても、燃焼安定性に乏しいことから、予め燃料と空気とを完全に均一な状態で混合することができず、拡散燃焼のパイロット火炎を一部利用したり、一部に燃料の濃い領域をつくり出して火種としていることが多く、そこからＮＯｘが発生するという問題を有している。特に、炭化水素系燃料を用いるガスタービン発電プラントにおいては、これまでに作動ガスの高温化によるプラント熱効率の向上が図られてきているが、今後の一層の高温化に際し希薄予混合燃焼法に代表される従来の燃焼技術では、現在のＮＯｘ排出量レベルを維持するのが難しいと予想される。このため、ガスタービンを用いた発電プラントでは燃焼安定性に優れた低ＮＯｘ燃焼技術の開発が重要な課題となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、ガスタービンを用いた発電プラントにおいて燃焼安定性に優れ、ＮＯｘ排出量の低減化を図ることができる発電プラントおよび発電プラント運転方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、炭化水素系燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて駆動され電力を出力する発電機とを含む発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の少なくとも一部を当該発電プラントから得られる熱を利用した熱分解反応または触媒を用いた反応により水素および一酸化炭素に改質して炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％とする燃料改質装置を備え、水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％に調整された炭化水素系燃料を前記ガスタービン燃焼器に供給するようにしている。また、請求項８記載の発明は、ガスタービン燃焼器で炭化水素系燃料を燃焼させることによって得られる燃焼ガスによりガスタービンを駆動して、該ガスタービンに結合された発電機を回転させて電力を出力する発電プラント運転方法において、炭化水素系燃料の少なくとも一部を発電プラントから得られる熱を利用し水素および一酸化炭素に改質して炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にしてガスタービンで燃焼させるようにしている。
【０００８】
水素は炭化水素系燃料と比べても燃料希薄可燃限界を若干広げる程度であるが、燃料速度が速く、点火エネルギーも小さくかつ消炎距離も小さく非常に燃え易い燃料である。しかも、その量が微量であれば、必要以上に燃焼速度が高くならず逆火の危険もない。したがって、可燃範囲の広い水素の存在で燃焼安定性が増し保炎し易くなる。これにより、より一層完全に近い希薄予混合燃焼法が適用できる。しかも、その水素含有率は燃焼安定性を増すのに十分な量であり、かつ１〜１０ｖｏｌ％と低いため、発電プラントから得られる熱で改質するためのコストが安価となる。更に、改質により炭化水素系燃料の温度が上がるので、改質を行わない従来の場合に比べて燃焼安定性が増す。そこで、同じ温度の燃焼ガスを得ようとする場合には、燃料を減らし空気比を上げることが可能となるので、より燃料希薄状態の燃焼を実現してＮＯｘ発生量を削減することができる。
【０００９】
さらに、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度の微量であるので、炭化水素系燃料の全量あるいは大部分を改質する場合に比べて改質に必要な酸素成分または水分（水蒸気）、熱および改質触媒を少量に抑えることができ、酸素成分または水蒸気の供給設備を簡易化してコストを低くすることができる。しかも、水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％程度であることから、触媒反応に９００〜１０００℃といった高温を必要とせず例えば４００℃程度に抑えることができることから、安価な低温触媒を利用して改質を行うことができるようになると共に、４００℃程度に下がった発電プラントからの排熱を有効に利用することができる。よって、発電コストを低減することができるようになる。また、炭化水素は条件によっては、５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合には改質触媒も必要なくなる。一方、条件によっては、炭化水素は適当な触媒で反応を制御することにより酸素成分または水分が無くても熱分解することから、その場合には、酸素成分または水分を供給する設備が必要なくなる。
【００１０】
ここで、水素含有率は、１ｖｏｌ％未満では水素の燃焼量が不十分で燃焼安定性の向上が見られず、１０ｖｏｌ％を超えると必要以上の水素を得ることとなるしそれに伴って改質のための多量かつ高温の酸素または水蒸気等を得るための設備やコストが無駄なものとなる。そこで、最小限の水素含有率に抑えことが望まれることから、１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下、好ましくは２〜３ｖｏｌ％の水素含有率とすれば、改質のために必要な設備やコストを最小限に抑えつつ、燃焼安定性とＮＯｘ排出量の低減とを同時に実現可能とすることができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の全量を燃料改質装置に導入して部分改質し、水素含有率の炭化水素系燃料を得てガスタービン燃焼器に供給するようにしている。この場合、極めて僅かな改質率であるため低温触媒を利用して発電プラントから得られる低い熱例えば４００℃程度に下がったガスタービンからの排熱等を利用して改質を行うことができ、改質のための熱源などを特段設ける必要がない。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発電プラントにおいて、炭化水素系燃料の一部を前記燃料改質装置に導入して全量改質し、これを改質していない炭化水素系燃料と混合して前記水素含有率の炭化水素系燃料を得て前記ガスタービン燃焼器に供給するようにしている。この場合、燃料改質装置で処理すべき炭化水素系燃料の流量を最小限にできるので、燃料改質装置の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発電プラントのガスタービン燃焼器を、炭化水素系燃料と燃焼用空気とを予混合してから燃焼室内へ供給するものとしている。この場合には、可燃範囲の広い水素を少量含む希薄予混合気が生成されるため、燃料の濃い部分を有する予混合気を作らずとも燃焼安定性が向上することから、必要以上に燃焼速度が高くならず逆化の危険もなく、しかも燃料と空気の混合をより均一化してより一層完全希薄燃焼に近づけることができる。
【００１５】
ここで、改質のための熱は、請求項６記載の発明のように、発電プラントから得られる熱、例えばガスタービンの排ガスあるいはガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の尾筒、ガスタービンのタービン翼のいずれか１つあるいは２つ以上から得ることが好ましい。この場合、発電プラントから得られる熱を有効利用して改質を行うことができ、改質コストを削減することができる。特に、ガスタービンの尾筒やタービン翼から熱を得る場合には、それらの冷却性能を向上することができ、更にタービン翼から熱を得る場合にはタービン翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率を向上することができる。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、請求項１から６までのいずれか記載の発電プラントにおいて、ガスタービン燃焼器から排出されたガスにおける炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料の改質割合を制御する監視制御手段を有するようにしている。そして、請求項９記載の発明は、請求項８記載の発電プラント運転方法において、ガスタービン燃焼器から排出されたガスにおける炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料の改質割合を制御するようにしている。これらの場合には、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えつつ、燃焼安定性を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。図１に本発明の発電プラント１の実施形態を示す。この発電プラント１は、炭化水素系燃料２を燃焼させるガスタービン燃焼器３と、該ガスタービン燃焼器３に炭化水素系燃料２を供給する燃料供給部４と、ガスタービン燃焼器３の燃焼ガス５により駆動されるガスタービン６と、該ガスタービン６に結合されて駆動され電力を出力する発電機７とを有するものである。
【００１８】
そして、この発電プラント１は、燃料供給部４からガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２に改質のための水蒸気８を供給する酸素分供給装置９と、水蒸気８が混合された炭化水素系燃料２の一部を改質してガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にする燃料改質装置１０とを有している。燃料改質装置１０では、水蒸気８が混合された炭化水素系燃料２の少なくとも一部を発電プラント１の排熱を利用した熱分解はまた触媒を用いた反応により水素および一酸化炭素に改質するようにしている。このため、ガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２には１〜１０ｖｏｌ％程度の微量の水素が含まれていると共にガスタービン燃焼器３に供給する炭化水素系燃料２を排熱により加熱できるので、改質しない場合に比べて燃焼安定性を向上できると共にＮＯｘ排出量を低減することができるようになる。ここで、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度、好ましくは２〜３ｖｏｌ％の微量である。この場合には、炭化水素系燃料２の大部分を改質する場合に比べて改質に必要な水蒸気８が少量で足りるようになり水蒸気８の供給に必要なコストを低く抑えることができると共に、４００℃あるいは５００〜６００℃の比較的低温下での熱分解または触媒を用いた反応によっても得られる。
【００１９】
本発明者等の実験によれば、CH4 100%の燃料を約1.0vol%改質し、CH4=97.06vol%、CO=0.98vol%、H2=1.96vol%(実際には、実験においてはH2/CO体積比率を２．３３で一定としているため、CH4=98.37vol%、CO=0.49vol%、H2=1.14vol%となる)にした場合に、ほとんど未燃の炭化水素が排出されず、保炎性が格段に良くなるという知見を得た。したがって、２〜３ｖｏｌ％の水素が含有されれば燃焼安定性は十分であるし、改質のためのコストも少なくて済む。
【００２０】
図７にCH4とCOとH2の混合ガスの燃焼実験結果を示す。バーナ、実験条件によっても排ガス中の未燃成分濃度はシフトするが、一般的には以下の様な傾向があると言えると考えられる。
条件は、
・燃料組成：CH4、CO、H2の混合ガス。ただし、H2/CO体積比率は2.33で一定。
・燃焼温度=1500℃(一定)
・空気/燃料予熱温度=400℃/230℃一定
・組成例：
成分 図面上の実験点、左端から→
CH4= 100.00% 98.37% 96.67% 93.34%
H2= 0.00% 1.14% 2.33% 4.66%
CO= 0.00% 0.49% 1.00% 2.00%
この実験は、できるだけ燃料組成の相違が見られるように実験条件を設定した。H2濃度が0%の時(CO濃度は0%、CH4濃度は100%)は排ガス中の未燃炭化水素濃度が15ppmほどあったものが、H2濃度1.14%（CO濃度0.49%、CH4濃度98.37%）にすると、未燃炭化水素濃度は1.7ppmにまで低下した。更に、H2濃度が2.33〜4.66%にまで達すると、未燃炭化水素濃度は1.2〜0.8ppm(計測誤差を含む)とほぼ飽和した。つまり、LNG(ここではCH4=100%で代用)を、1%分解してCH4=99%、CO=1%、H2=2%(全体を100%と平均すると、CH4=97.06%、CO=0.98%、H2=1.96%)にすると、排ガス中の未燃炭化水素濃度を、分解しない場合の15ppmから1.2ppmにまで低減できることが分かった。
【００２１】
本実施形態では、燃料供給部４からガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料２の一部２ａを取り出す分流手段１１を備えている。また、酸素分供給装置９は分流手段１１により取り出された一部の炭化水素系燃料２ａに水蒸気８を供給するものである。そして、分流手段１１で分流された一部の炭化水素系燃料２ａが燃料改質装置１０で改質ガス２ｃに改質されてから、改質されなかった炭化水素系燃料２ｂに予混合されてガスタービン燃焼器３に供給されるようにしている。ここで、燃料改質装置１０は、ガスタービン燃焼器３に供給される炭化水素系燃料に占める水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にするように改質ガス２ｃを生成する。即ち、燃料改質装置１０で改質された後の燃料２ｃと直接ガスタービン燃焼器３へ送られる改質されていない炭化水素系燃料２ｂとを合わせた全炭化水素系燃料に占める水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％となる程度に燃料改質装置１０での改質が行われる。このため、燃料改質装置１０で処理する炭化水素系燃料２ａの流量を最小限にできるので、燃料改質装置１０の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００２２】
燃料改質装置１０は、水蒸気８を利用して分流された炭化水素系燃料２ａの一部あるいは全部を水素および一酸化炭素に改質する触媒を備えている。この燃料改質装置１０では、１〜１０ｖｏｌ％程度の微量の水素含有率となるように改質すれば足りるので、触媒として４００℃程度で反応する低温触媒と発電プラントからの排熱を利用することで改質を可能とする。また、炭化水素は条件によっては、５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合、燃料改質装置１０に触媒を必要とせず、さらに低いコストで運用できる。一方、条件によっては、炭化水素は適当な触媒で反応を制御することにより酸素成分が無くても熱分解することから、その場合には、酸素成分または水分を供給する設備を必要とせず、場合によっては、酸素分供給装置を有し改質装置に触媒を必要としない場合に比べて、低コストで運用できる。
【００２３】
ここで、燃料改質装置１０はガスタービン６の排気口に連結されており、ガスタービン６の排ガス１２の熱を改質作用の熱源に利用するようにしている。
【００２４】
この発電プラント１では、ガスタービン燃焼器３から排出される燃焼ガス中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を、ガスタービン６で仕事をした後のガス１２を連続的に監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように炭化水素系燃料２の改質割合を制御する監視制御手段１３を有している。本実施形態では、分流手段１１とガスタービン燃焼器３との間および分流手段１１と燃料改質装置１０との間に、それぞれ流量制御弁１４，１５を設けている。そして、監視制御手段１３は、各流量制御弁１４，１５を制御することにより炭化水素系燃料２の改質割合を制御するようにしている。よって、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えつつ、ガスタービン燃焼器３での燃焼安定性を向上することができる。
【００２５】
また、監視対象となるガスは、本実施形態ではガスタービン６からの排ガス１２としている。これにより、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視することができる。但し、監視対象となるガスはこれには限られず、ガスタービン燃焼器３からの排出された直後燃焼ガス５を監視するようにしても良い。この場合も炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視することができる。
【００２６】
ガスタービン燃焼器３は、図２に示すように燃焼室１６を形成する内筒１７と、内筒１７を覆い該内筒１７の周囲に燃焼用空気の流路を形成する外筒１８と、外筒１８を貫通し外筒１８と内筒１７との間の流路・空間に燃料２ｂ，２ｃを噴射する複数本の燃料噴射ノズル２２と、燃焼器頂部に構成された１次燃料ノズル１９と、内筒１７の周面に周方向に沿って開口された２次燃料ノズル２５と、燃料噴射ノズル２２から噴射された燃料２ｂ，２ｃと燃焼用空気２４とを混合して予混合ガス３７として各燃料ノズル１９，２５に供給する予混合ダクト３８とを備える予混合燃焼器として構成されている。このため、燃料噴射ノズル２２から噴射された燃料２ｂ，２ｃは、予混合ダクト３８において燃焼用空気２４と混合されて予混合ガス３７にされてから２位置で燃焼室１６内へ噴射される。即ち、予混合ガス３７の一部は、１次燃料ノズル１９の旋回器２１を経て旋回しながら燃焼室１６に噴射して火炎２７を形成する。また、予混合ガス３７の残りは２次燃料ノズル２５から燃焼室１６に噴射されて燃焼する。これにより、希薄予混合燃焼を安定して維持し、かつ予混合ガスを２位置に分けて噴射することにより局所的高温域の発生を防いでＮＯｘの発生を抑制できる。また、燃料噴射ノズル２２を燃焼用空気２４に対して２次燃料ノズルよりも下流側に設置することにより、１次燃料ノズル１９の旋回器２１を経て旋回しながら燃焼室１６に噴射する予混合ガス中の燃料濃度を高くすることができ、より一層安定した火炎を形成することもできる。
【００２７】
１次燃料ノズル１９は、起動用燃料２３または改質ガス２ｃが供給される起動用燃料ノズル２０を備えており、起動後は改質ガス２ｃにより保炎することもできる。また、内筒１７には尾筒２６が取り付けられて燃焼ガス５をガスタービン６に案内している。
【００２８】
さらに、この発電プラント１は、ガスタービン燃焼器３に燃焼用空気２４として圧縮空気を送り込む圧縮機２８と、燃料改質装置１０からの排ガス２９の排熱を利用して蒸気３０を発生させる排熱回収ボイラ３１と、排熱回収ボイラ３１で発生された蒸気３０を利用して発電を行う蒸気タービンプラント３２とを備えている。この蒸気タービンプラント３２は、排熱回収ボイラ３１からの蒸気３０で駆動される蒸気タービン３３と、この蒸気タービン３３で得られた動力により発電を行う発電機３４と、復水器３５とを備えている。さらに、排熱回収ボイラ３１で熱交換された後の排ガス２９は煙突３６から大気に放出される。なお、これら排熱回収ボイラ３１と蒸気タービンプラント３２、および上述したガスタービン燃焼器３、燃料供給部４、ガスタービン６、発電機７、圧縮機２８は、いずれもそれ自体が本発明の特徴となるものではないので既存のものあるいは新規のものを使用することができる。
【００２９】
以上のように構成された発電プラント１の運転方法を以下に説明する。
【００３０】
発電プラント１の始動時には、起動用燃料ノズル２０から起動用燃料２３を噴射すると共に外部動力により駆動された圧縮機２８からの燃焼用空気２４を１次燃料ノズル１９の旋回器２１から吹き出す。そして、図３に示すように起動用燃料ノズル２０から噴射される起動用燃料を用いた燃焼によりガスタービン６が無負荷定格回転数に達した後、発電機７を併入して徐々に負荷を取り始めて発電量を上げ、ガスタービン負荷が２５％程度に達すると、ガスタービン負荷を一定としたまま燃料の切り替えを行う。即ち、流量制御弁１４，１５を開放して一部分の燃料２ａに水蒸気８を加えて燃料改質装置１０に供給し、部分改質された燃料と燃焼用空気との予混合ガスに徐々に切り替える。また、起動用燃料２３による運転においても、条件によっては炭化水素系燃料２または起動用燃料２３を部分的に改質し、燃料中に水素を含有させることが可能であり、その際、起動用燃料による運転を安定に実施することができる。
【００３１】
燃料改質装置１０では、ガスタービン６からの排ガス１２の排熱により触媒が加熱されている。このため、燃料２ａの炭化水素が、混合された水蒸気８と触媒作用により反応して水素および一酸化炭素に改質される。改質された燃料２ｃの一部は改質しない燃料２ｂに混合してガスタービン燃焼器３の燃料噴射ノズル２２に供給され、また改質後の燃料２ｃの残りは起動用燃料ノズル２０に供給される。そして、起動用燃料２３を絞りながら燃料２ｂ，２ｃと燃焼用空気２４の予混合ガス３７に徐々に切り換えるようにする。
【００３２】
ここで、予混合ガス３７による燃焼に切り換えても暫くは低負荷運転であるので、火炎２７の温度が低下するため、監視制御手段１３により排ガス１２中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視しながら、燃料２の改質割合を高く保つように制御する。即ち、予混合ガス３７に含まれる水素を多くすることで燃焼安定性を高める。そして、ガスタービン６の負荷が上昇するにつれて火炎温度が上昇するので、監視制御手段１３により燃料２の改質割合を徐々に低下させ水素含有率を下げるように制御する。
【００３３】
このように運用することにより、炭化水素系燃料２に比較して可燃範囲の広い水素の燃料２ｄ（改質燃料２ｃと未改質燃料２ｂとが予混合された燃料），２ｃ中の濃度を排ガス１２中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度、すなわち火炎２７の温度に応じて適切に制御することができると共に予混合ガス３７の温度を上昇できるので、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともにＮＯｘの発生量を低く抑えることが可能である。
【００３４】
そして、燃料の切り替えが完了すると、ガスタービン６の負荷を徐々に上昇させて行き、発電量を上げて行く。
【００３５】
一方、排熱回収ボイラ３１は、ガスタービン６と燃料改質装置１０とで仕事をした後の排ガス２９の排熱を蒸気タービンプラント３２の水と熱交換して蒸気３０を発生させる。排熱回収ボイラ３１で得られた蒸気３０は蒸気タービン３３に供給されこれを回転させる。蒸気タービン３３が無負荷定格回転数に達した後、発電機３４を併入して徐々に負荷を取り始めて発電量を上げて行く。蒸気タービン３３で仕事をした後の蒸気３０は復水器３５で復水されて、再び排熱回収ボイラ３１に供給される。
【００３６】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では燃焼ガス５、あるいはガスタービン６からの排ガス１２を監視して改質割合を制御する監視制御手段１３を設けているが、場合によっては監視制御手段１３は無くても良い。例えば炭化水素系燃料２の改質割合を厳密に制御する必要のない簡易な発電プラント１であれば、監視制御手段１３を設けずに設備の簡略化を図ることができる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、炭化水素系燃料の一部を分流させそれをほぼ全量改質してから改質していない残りの炭化水素系燃料と混合して１〜１０ｖｏｌ％の水素含有率の燃料として供給するようにしているが、これには特に限られず全ての燃料２を燃料改質装置１０に供給して部分改質することにより１〜１０ｖｏｌ％の水素含有率の燃料を得るようにしても良い。この場合、燃料改質装置１０において燃料２の全量に対して部分改質するように水蒸気８の量や改質温度等が調整される。この場合、全量改質よりも改質条件が緩やかとなるためプリ改質器のような４００℃程度の反応温度で分解でき、改質工程が安定操業できると共に燃料供給経路などの設備をより簡易にすることができる。
【００３８】
さらに、上述した実施形態では燃料改質装置１０での触媒作用に必要な熱をガスタービン６の排ガス１２から得るようにしているが、これには特に限られず図４および図５に示すようにガスタービン燃焼器３から得るようにしても良い。この場合における燃料改質装置１０は、例えば図５に示すようにガスタービン燃焼器３の予混合ダクト３８の中や尾筒２６の周りに設置したり、そこから熱を取り出すように構成しても良い。例えば、予混合ダクト３８に燃料改質装置１０を据え付けるときには、燃料噴射ノズル２２には予め水蒸気８と混合した燃料２を供給する。これにより、予混合ダクト３８の熱を利用して燃料改質装置１０において燃料２が改質され、水素を含有した改質ガスとされて燃焼室１６に噴射される。
【００３９】
また、尾筒２６の周囲に燃料改質装置１０を据え付けるときには、この燃料改質装置１０に予め水蒸気８と混合した燃料２を供給し、燃料改質装置１０で燃料２が尾筒２６の熱により改質されて改質ガス２ｃを得ることができる。この改質ガス２ｃをガスタービン燃焼器３に供給して燃焼させる。この場合、尾筒２６の周囲に燃料改質装置１０を据え付けることにより、尾筒２６の冷却性能を向上することができる。
【００４０】
更に、ガスタービン燃焼器３内や予混合ダクト３８、尾筒２６、タービン翼内などに燃料改質用触媒そのものを直接内蔵してガスタービン燃焼器３等の一部を改質装置として構成するようにしても良いし、これらから得られる排熱を外に取り出して燃料改質装置１０に与えるようにしても良い。
【００４１】
また、炭化水素は条件によっては５００〜６００℃でも十分に水素と一酸化炭素に熱分解することから、その場合、燃料改質装置１０に触媒を必要とせず、さらに低いコストで運用できる。この場合においても、温度条件、ガス条件（ＬＮＧ、酸素分等）、反応時間を一定に保つ必要があるため、改質装置という器あるいは領域が存在することが好ましい。
【００４２】
なお、図４に示す発電プラント１においてガスタービン燃焼器３以外の装置、例えばガスタービン６や発電機７、蒸気タービンプラント３２等については上述した図１に示す実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図４に示す発電プラント１では監視制御手段１３や流量制御弁１４，１５を図示していないが、これらを設けることが好ましい。そして、監視制御手段１３はガスタービン６からの排ガス１２を監視するように設置すると共に、流量制御弁１４，１５は燃料ガス２のガスタービン燃焼器３および燃料改質装置１０への供給量を制御するように設置する。これにより、燃焼させる炭化水素系燃料２の改質割合を最適に制御することができるようになる。
【００４３】
また、上述した各実施形態では燃料改質装置１０での触媒作用に必要な熱をガスタービン６からの排ガス１２あるいはガスタービン燃焼器３から得るようにしているが、これには限られず図６に示すように燃料改質装置１０をタービン翼内部に設けてガスタービン６のタービン翼から熱を得るようにしても良い。この場合、燃料改質装置１０に予め水蒸気８と混合した燃料２ａを供給することによりタービン翼の熱を利用して改質ガス２ｃを得ることができる。この改質ガス２ｃはガスタービン燃焼器３に供給される。これによれば、タービン翼の冷却に圧縮機２８の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率の向上を図ることができる。
【００４４】
なお、図６に示す発電プラント１においてガスタービン６以外の装置、例えばガスタービン燃焼器３や発電機７、蒸気発電プラント１等については上述した図１に示す実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図６に示す発電プラント１では監視制御手段１３や流量制御弁１４，１５を図示していないが、図４に示す実施形態の場合と同様にこれらを設けて炭化水素系燃料２の改質割合を最適に制御することが好ましい。
【００４５】
さらに、上述した各実施形態では炭化水素系燃料２を改質するために水蒸気８を与えるようにしているが、これには限られず酸素を供給して無触媒下で改質するようにしても良い。このとき、条件によるが改質が行われる温度は例えばメタンについては約５００℃程度から分解が開始され１０００℃でほとんど（９５％）が水素と一酸化炭素に分解されることから、改質程度に応じて温度制御を行うことにより、燃料の水素含有量を１〜１０ｖｏｌ％に改質することができる。
【００４６】
また、本実施形態では希薄予混合燃焼について主に説明したが、拡散燃焼について適用することも可能である。この場合においても、改質による微量の水素の存在で保炎がし易くなるので、ＮＯｘ低減のための工夫例えば部分燃焼法の適用や空気比を高めることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の発電プラント及び請求項８記載の発電プラント及びその運転方法によれば、燃料改質により可燃範囲が広い水素が炭化水素系燃料に１〜１０ｖｏｌ％程度含められるので、炭化水素系燃料の燃焼安定性が増し、保炎し易くなる。このため、ＮＯｘ低減のための工夫がし易くなる。例えば請求項５記載の発明のような希薄予混合燃焼の場合には、可燃範囲の広い水素の存在で燃焼安定性が向上するため、予混合による燃料と空気の混合が燃料の濃い部分を作らずに均一化でき、より一層完全希薄燃焼に近づけることができ、均一燃焼による局所高温領域の減少の実現に因るＮＯｘ低減効果が得られる。また、拡散燃焼の場合にも、保炎がし易いため、ＮＯｘ低減のための空気配分の工夫例えば濃淡燃焼などの自由度が増し、より一層低ＮＯｘ化が可能となる。加えて、改質の際に炭化水素系燃料を発電プラントからの熱で加熱できるので、予混合ガスあるいは混合ガスの温度を高めて更に燃焼安定性を向上できると共に同じ燃焼温度を得ようとする場合には燃料を減らし空気比を上げることができるので、一層の燃料希薄状態を実現でき、ＮＯｘ排出量を低減することができるようになる。
【００４８】
また、水素含有率は１〜１０ｖｏｌ％程度であるので、炭化水素系燃料の大部分を改質する場合に比べて改質に必要な酸素成分または水分を少量に抑えることができるようになり設備の小型化を可能にすることができる。
【００４９】
また、請求項３記載の発電プラントによれば、炭化水素系燃料の全部を部分改質して１〜１０ｖｏｌ％程度の水素含有率とすることから、極めて僅かな改質率であるため低温触媒を利用して発電プラントから得られる低い熱例えば４００℃程度に下がったガスタービンからの排熱等を利用して改質を行うことができ、改質のための熱源などを特段設ける必要がない。このため、改質コストが安価となる。依って、発電コストを低減することができる。
【００５０】
また、請求項４記載の発電プラントによれば、燃料改質装置で処理すべき炭化水素系燃料の流量を最小限にできるので、燃料改質装置の大型化を抑制して改質に必要なコストを低く抑えることができる。
【００５２】
また、請求項５記載の発明によれば、可燃範囲の広い水素を含む希薄予混合気が生成されるため、燃料の濃い部分を有する予混合気を作らずとも燃焼安定性が向上することから、燃料と空気の混合をより均一化してより一層完全希薄燃焼に近づけることができる。したがって、ＮＯｘの発生を低減させることができる。
【００５３】
更に、請求項６記載の発明によれば、発電プラントから得られる熱を有効利用して改質を行うことができ、改質コストを削減することができる。特に、ガスタービンの尾筒やタービン翼から熱を得る場合には、それらの冷却性能を向上することができ、更にタービン翼から熱を得る場合にはタービン翼の冷却に圧縮機の空気を使用する必要がなくなるので、プラント熱効率を向上することができる。
【００５４】
また、請求項７記載の発電プラント及び請求項９記載の発電プラント運転方法によれば、炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を所定値以下に抑えることができるので、燃焼安定性を更に良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電プラントを示す概略図である。
【図２】ガスタービン燃焼器を示す縦断面側面図である。
【図３】発電プラントを始動するときの燃料の改質量の変化を示すグラフである。
【図４】発電プラントの他の実施形態を示す概略図である。
【図５】ガスタービン燃焼器の他の実施形態を示す縦断面側面図である。
【図６】発電プラントの別の実施形態を示す概略図である。
【図７】排ガス中の未燃炭化水素濃度に及ぼす燃料中の水素濃度の影響を実験した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 発電プラント
２ 炭化水素系燃料
２ａ 燃料改質装置に供給される炭化水素系燃料
２ｂ 改質されずに直接ガスタービン燃焼器に供給される炭化水素系燃料
２ｃ 改質された炭化水素系燃料
２ｄ 未改質燃料と改質燃料とを予混合した燃料
３ ガスタービン燃焼器
４ 燃料供給部
５ 燃焼ガス
６ ガスタービン
７ 発電機
８ 水蒸気
９ 水蒸気供給装置
１０ 燃料改質装置
１２ ガスタービンの排ガス
１３ 監視制御手段
２６ 尾筒
Claims (9)
- 炭化水素系燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンに結合されて駆動され電力を出力する発電機とを含む発電プラントにおいて、前記炭化水素系燃料の少なくとも一部を当該発電プラントから得られる熱を利用した熱分解反応または触媒を用いた反応により水素および一酸化炭素に改質して前記炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％とする燃料改質装置を備え、水素含有率が１〜１０ｖｏｌ％に調整された前記炭化水素系燃料を前記ガスタービン燃焼器に供給することを特徴とする発電プラント。
- 前記炭化水素系燃料の水素含有率は２〜３ｖｏｌ％である請求項１記載の発電プラント。
- 前記炭化水素系燃料の全量を前記燃料改質装置に導入して部分改質し、前記水素含有率の炭化水素系燃料を得て前記ガスタービン燃焼器に供給することを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント。
- 前記炭化水素系燃料の一部を前記燃料改質装置に導入して全量改質し、これを改質していない炭化水素系燃料と混合して前記水素含有率の炭化水素系燃料を得て前記ガスタービン燃焼器に供給することを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器は炭化水素系燃料と燃焼用空気とを予混合してから燃焼室内へ供給するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電プラント。
- 前記改質のための熱は前記ガスタービンの排ガス、前記ガスタービン燃焼器、前記ガスタービン燃焼器の尾筒もしくは前記ガスタービンのタービン翼のいずれか１つあるいは２つ以上から得られるものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電プラント。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出されたガス中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下に成るように前記炭化水素系燃料の改質割合を制御する監視制御手段を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発電プラント。
- ガスタービン燃焼器で炭化水素系燃料を燃焼させることによって得られる燃焼ガスによりガスタービンを駆動して、該ガスタービンに結合された発電機を回転させて電力を出力する発電プラント運転方法において、前記炭化水素系燃料の少なくとも一部を前記発電プラントから得られる熱を利用し水素および一酸化炭素に改質して前記炭化水素系燃料の水素含有率を１〜１０ｖｏｌ％にして前記ガスタービンで燃焼させることを特徴とする発電プラント運転方法。
- 前記ガスタービン燃焼器から排出されるガス中の炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度を監視して、この炭化水素成分または一酸化炭素成分等の未燃成分濃度が所定値以下となるように前記炭化水素系燃料の改質割合を制御することを特徴とする請求項８記載の発電プラント運転方法。
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