JP3789070B2 - Gas turbine system and operation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は動力を発生させるガスタービンシステムおよびその運転方法に係わり、とりわけ排ガスを用いて燃料を化学的に改質するガスタービンシステムおよびその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンシステムは一般に動力の供給に用いられ、多くは発電機に動力を供給して電力に変換することによる発電システムとして用いられる。ガスタービンシステムの基本的な動作原理は、メタン等の燃料を圧縮機によって加圧された例えば空気等の燃焼用の酸素を含む流体によって燃焼させ、このとき得られる燃焼ガスを静翼を介して動翼に吹き付け、これによって動翼を配したロータを回転させて動力を得るものである。このようなガスタービンシステムにおいては、燃焼ガスの温度を高くすることにより効率を高めることができる。
【0003】
一般に静翼および動翼は金属材料で構成され、これらの翼を何らかの手段で冷却することなしに、燃焼ガス温度を金属材料の耐熱温度以上に高めることはできない。このため、翼の内部に冷却媒体を通流させ、冷却媒体によって翼部材を冷却する方法や、翼内部から翼表面に冷却媒体を吹き出させ、翼表面に燃焼ガスと比べて低温の冷却媒体の膜を形成し、翼部材への燃焼ガスからの熱の伝わりを軽減する方法がとられる。しかし、このような冷却手段を用いても燃焼ガス温度の上昇には限度があり、さらに上記の翼表面に冷却媒体を吹き出させ翼部材への熱の伝わりを軽減する方法では、燃焼ガス温度の上昇に伴って冷却媒体の流量も増加し、高温の燃焼ガスに低温の冷却媒体が混入することによる温度低下の影響により効果的に効率の増加に結びつけることが困難である。
【0004】
このため、動翼を通過し動力を取出した後の燃焼ガスで最終的にガスタービンシステムから排出される排ガスに残されている熱エネルギを回収することによって、効率を高める試みがなされている。その代表的なものは、排ガスを排熱回収ボイラに導き高温高圧の蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンで動力を発生させることにより排ガスに含まれていた熱エネルギを回収し、システム全体としての効率の向上を図るコンバインドサイクルによるものである。
【0005】
近年、排ガスからの排熱回収により効率向上を図る別の手段として、排ガスに含まれる熱エネルギによってガスタービンに供給される燃料を化学的に改質し、燃料の化学エネルギを向上することによって排熱を回収しガスタービンシステムの効率を向上させる提案がなされている。
【0006】
現在、ガスタービンの燃料として広く用いられているものの一つとして天然ガスがあり、天然ガスの主な成分はメタンである。メタンの代表的な改質の方法として、メタンに水蒸気を添加し、例えばニッケルのような触媒の存在下で高温を保つことにより、水素と一酸化炭素に転換させるものが知られている。このようにメタンを主な燃料としガスタービン排ガスによって燃料を改質するガスタービンシステムとして、例えば、特開平2―286835(特許2581825)あるいは特開平7−269371に示されるようなものが提案されている。
【0007】
これらの提案においては、例えば特開平7−269371に記載されているように、7〜13.8ata(0.7〜1.38MPa)の圧力において、一般にメタンの改質に必要と考えられている650℃以上、望ましくは800℃程度の温度と、約550℃程度であるガスタービン排ガスの温度との差をうめるための手段が述べられている。具体的には、特開平2−286835においては、改質手段の前に補助燃焼器を設け、この補助燃焼器により燃料を燃焼させることにより改質時の温度を上昇させる手段が示されている。また、特開平7−269371においては、タービン翼を翼内部に水蒸気を通流させて冷却し、冷却によって高温になった水蒸気を改質手段に供給して改質温度を排ガスの温度より高める手段が提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの提案においては、このようなガスタービンシステムの起動、負荷変化、停止等の運転方法については詳細に考えられていない。
【0009】
一般に補助燃焼により改質手段を高温化する場合、ガスタービンの燃焼器以外に燃料を供給するため、ガスタービンシステムの効率を向上させるのは難しいことが知られている。このため、高い効率を得るためには、補助燃焼を用いることなく改質を行うことが必要となるが、ガスタービン起動時に補助燃焼無しに改質手段を高温化する手段が必要とされていた。
【0010】
また、前述のようにメタンの改質にはニッケル等の触媒が必要であり、改質手段にはこのような触媒が充填あるいは塗布され、メタンおよび水蒸気との接触が高温化で行われて改質反応が進められる。ニッケル等の触媒は、高温の酸化雰囲気中では酸化ニッケル等となり、触媒としての性能が著しく低下し、効果的な改質を行うことが難しくなることが知られている。ガスタービンシステムの運転においては、触媒が高温の酸化雰囲気にさらされることは条件によっては十分に考えられるため、触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐ手段が必要とされている。
【0011】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、ガスタービンシステムの起動、負荷変化、停止等の運転状態においても、ガスタービンの排ガスからのエネルギ回収率が高く、信頼性の高いガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【0013】
本発明は、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として水を蒸発させ蒸気を供給する蒸発器を更に備え、蒸発器からの蒸気を上記改質器および上記燃焼器の少なくともいずれか一方に供給することを特徴とするガスタービンシステムである。
【0014】
これにより、ガスタービンシステムにおける排熱回収を改質器のみでなく、蒸発においても行い、回収した熱エネルギをガスタービンの燃焼器に供給することにより、さらに、ガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【0015】
本発明は、改質器に送られる原燃料に含まれる硫黄化合物を吸着脱硫する脱硫器を更に備えたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【0016】
これにより、原燃料中の硫黄化合物による改質触媒への被毒を防げ、被毒による改質性能の低下を防ぐことができる。
【0017】
本発明は、改質器と燃焼器との間に、改質燃料を加圧する手段を設けたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【0018】
これにより、原燃料の改質を低い圧力で行うことができ、改質率を高め、さらに、ガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【0019】
本発明は、ガスタービンシステムの運転方法において、タービンの運転開始時あるいは部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、原燃料の流量を増加して加温することにより改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質を行い改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給する工程とを備えたことを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【0020】
これらにより、ガスタービン運転開始時あるいは部分負荷運転からの負荷増加時に燃焼器に原燃料を供給することが可能となり、補助燃焼手段を有しないガスタービンシステムにおいても、改質器の温度を改質が可能な高温にすることができる。さらに、改質器が高温になり改質が可能となった時点で、改質燃料を燃焼器に供給することにより、改質器による排熱回収が行ってガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【0021】
本発明は、運転開始時あるいは部分負荷運転時には、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【0022】
本発明は、上記運転開始時あるいは部分負荷運転時には、改質器の酸化温度に達する前から上記改質を行うまでの間、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【0023】
これらにより、ガスタービンシステムの運転開始時あるいは部分負荷運転からの負荷増加時に改質器内の触媒が酸化雰囲気で高温にさらされることがなく、改質触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐことができる。
【0024】
本発明は、ガスタービンシステムの運転方法において、タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、改質燃料の流量を減少して減温することにより改質器が改質可能温度に達する前に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程とを備えたことを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【0025】
これにより、改質器の温度が低下し、改質による排熱回収が行えなくなるまでは、排熱回収によりガスタービンシステムの効率、出力を向上することができ、改質器が改質可能温度を下回るような低い負荷においてもガスタービンの運転を継続することができる。
【0026】
本発明は、負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまでは、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あいるは封止することを特徴とする記載のガスタービンシステムの運転方法である。
【0027】
本発明は、上記負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【0028】
これらにより、ガスタービンシステムの停止時に改質器内の触媒が酸化雰囲気で高温にさらされることがなく、改質触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐことができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
第1の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0030】
図1は本発明の第1の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図である。
【0031】
図1に示すように、ガスタービンシステムは空気6を圧縮する圧縮機1と、圧縮機1で圧縮された空気7によって原燃料供給手段24により供給される原燃料あるいは改質燃料供給手段26によって供給される改質燃料を燃焼させる燃焼器2と、燃焼器2で生じた高温、高圧の燃焼ガス8によって動力を発生するタービン3とを備えている。
【0032】
タービン3で発生した動力は圧縮機1を駆動するために用いられるとともに発電機4を駆動して電力を発生し、動力発生に使われた燃焼ガスは温度、圧力を減じた排ガス9としてタービン3から排出される。
【0033】
ここで、原燃料としては、ガスタービン燃料として広く用いられる天然ガスあるいは都市ガスを想定しているが、いずれもその主成分はメタンである。燃焼器2で燃焼される改質燃料は、原燃料供給手段27により供給される原燃料と、蒸発器12で発生した水蒸気16との混合物である改質前燃料23を改質器10において改質することにより得られ、水素を多く含む改質燃料となっている。
【0034】
この場合、改質器10において、改質前燃料23は改質触媒を充填あるいは塗布した改質器10aに導かれ、タービン3からの排ガス9との熱交換により改質が行われる。改質器10を通った排ガス11の熱はさらに蒸発器12で水14を蒸発させ水蒸気16を発生するのに用いられた後、排ガス13として排出される。発生した水蒸気16はユーティリティ蒸気供給手段18を介してユーティリティ蒸気として用いられるとともに、その一部は改質用蒸気供給手段46により改質器10に供給され、燃料改質用の水蒸気として用いられる。
【0035】
原燃料供給手段24,27を介して燃焼器2および改質器10へ送られる原燃料19は、燃焼器2および改質器10への供給圧力まで高めるために、モータ29で駆動される圧縮機20により加圧される。また蒸発器12で生成される水蒸気16の圧力を改質器10への供給圧力まで高めるために、水14がポンプ15により加圧される。
【0036】
また原燃料供給手段24、原燃料供給手段27、改質用蒸気供給手段46、およびユーティリティ蒸気供給手段18には、それぞれ、バルブ25、バルブ22、バルブ17、バルブ28が設けられ、各供給手段24、27、46、18を流れるガスあるいは水蒸気の流量、圧力が調整される。
【0037】
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。ガスタービンシステムの起動時には、改質器の改質部10aは、ほぼ200℃以下の改質器酸化温度以下に保たれ、その内部には空気すなわち酸素が存在している。原燃料の圧縮機20により、原燃料供給手段21における圧力は燃焼器2および改質器10への供給圧力に保たれるが、バルブ25およびバルブ22はいずれも遮断され、燃焼器2および改質器10への原燃料の供給は行われない。また改質器10へ水蒸気供給を供給する改質用蒸気供給手段46のバルブ17も遮断される。起動時には起動モータ5によってガスタービンの圧縮機1が駆動され、圧縮機1の回転数が徐々に上げられることによって、燃焼器2の圧力が徐々に高められ、燃焼器2およびタービン3が空気によりパージされる。
【0038】
圧縮機1の回転数が定格回転数のほぼ20%程度となると、バルブ25を開いて燃焼器2に原燃料が供給され、燃焼器2内で着火されて燃焼器2内で原燃料が燃焼する。次に燃焼器2への原燃料流量が徐々に増加され、これによってタービン3での出力の発生も徐々に増加する。圧縮機1の回転数が定格回転数に至るまでの適当なタイミングにおいて、起動モータ5からの出力が切り離され、圧縮機1はタービン3の出力のみで駆動される。
【0039】
バルブ25の操作により燃焼器2への原燃料の供給はさらに徐々に増加され、圧縮機1の回転数が定格回転数に至ると、タービン3はバルブ25の操作により燃料流量が調節され、無負荷定格回転状態になる。タービン3から発電機4で負荷を取り出し、負荷を徐々に増加するとともに、タービン3の回転数を定格回転数に保つためにバルブ25の操作により原燃料の供給量を徐々に増加する。このことにより、最終的に定格負荷運転状態に至る。定格負荷運転状態では、排ガス9の温度は通常550℃から600℃程度となる。
【0040】
このような起動時において、排ガス9の温度は徐々に上昇し、このため改質器10の改質部10aの温度もほぼ200℃以下の改質器酸化温度以下の温度から徐々に上昇する。改質部10aにはニッケル系の触媒が充填あるいは塗布されている。このようなニッケル系の触媒は酸素の存在下である温度以上におかれた場合、酸化して酸化ニッケルとなり、触媒活性を失うことが知られている。発明者らの経験ではこのようなニッケルの酸化反応が著しくなるのは、ほぼ200℃程度であるため、改質器10の耐酸化温度はほぼ200℃以下となる。起動時に改質部10a内に空気すなわち酸素が存在していることから、このままの状態で改質部10aの温度がほぼ200℃以下の改質器酸化温度を越えると触媒は酸化され、改質性能を著しく損なう。
【0041】
本実施の形態においては、このような起動時の触媒の酸化を防ぐために、起動過程において改質部10aの温度がほぼ200℃以下の改質器酸化温度を越える前に、バルブ17を閉じたままバルブ22を開き、改質部10aの内部に原燃料すなわちメタンを導びく。このことにより内部に存在した空気を改質燃料供給手段26を通じて燃焼器2内に排気する。さらに適当な時間、改質部10a内に原燃料を通流させて残存空気すなわち残存酸素をほぼ完全に排気した後、バルブ22を閉じ、改質部10a内に原燃料を封止する。このとき改質部10a内の圧力は常に燃焼器2内の圧力よりも高く、起動過程のどの状態においても燃焼器2から改質部10aへの逆流はなく、改質部10a内には原燃料すなわちメタンが封止された状態でほぼ200℃以下の改質器耐酸化温度を越え、さらに、定格負荷状態に至る。このため、改質部10a内は酸化雰囲気ではなくメタンが封止された状態となって200℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ400℃以上の改質可能温度に至ることができるため、触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【0042】
このような、改質部10a内の原燃料による封止は、燃焼器2の着火のタイミングと合せて、あるいはそれよりやや遅らせたタイミングで行っても良く、これにより改質部10aはより広い温度範囲内において酸化から保護される。
【0043】
なお、これと並行して蒸発器12にポンプ15により水が供給され、発生した蒸気16はユーティリティ蒸気供給手段18によりユーティリティ蒸気として供給される。
【0044】
タービン3が原燃料の燃焼により定格負荷運転に至ると、バルブ17を開いて原燃料の改質に必要な流量の水蒸気を改質器10に導く。さらに改質燃料供給手段26を介して水蒸気を燃焼器2に導き、それと同時に改質部10a内の原燃料を水蒸気で置換する。
【0045】
その後、バルブ22を開いて所定流量の原燃料を改質器10に供給し、改質器10において排ガス9との熱交換により原燃料を改質し改質された改質燃料を燃焼器2へ供給する。この操作により、後述の水蒸気/メタン比は、常に定常的な改質における水蒸気/メタン比より高く保たれるため、改質部10aにおいて炭素析出を生じることはない。改質器10における改質燃料の発生に合わせて、バルブ25の操作により燃焼器2に供給される原燃料の流量を徐々に減少させ、最終的にはバルブ25が遮断され燃焼器2への原燃料供給はなくなる。その後は、バルブ22およびバルブ17の操作により、原燃料および水蒸気の流量が調整され、タービン3の負荷に応じた運転がなされる。
【0046】
なお、ここでは、原燃料の燃焼による運転から改質された燃料の燃焼による運転への切り替えを、定格負荷運転後として説明したが、このような運転切り替えは、改質器10が改質可能温度になっていれば定格以下の負荷運転状態においても可能である。
【0047】
ここで、改質器10における原燃料の改質反応について触れる。原燃料の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は以下の化学式で表される。
【0048】
CH4+H2O→3H2+CO (1)
ここで、このメタン改質反応が吸熱反応であり、この反応に使われた熱、すなわち上記の実施の形態においてはタービン3からの排ガス9のもつ排熱がこの反応によって減少し、改質後の燃料の化学エネルギが増加して、排ガスの持つ熱からの排熱回収がおこなわれる。回収された熱は、原燃料であるメタンよりも高い化学エネルギを持つ水素リッチな改質された燃料としてガスタービンシステムの燃焼器2で燃焼され、これによってガスタービンシステムの効率および出力が向上される。
【0049】
このようなメタン水蒸気改質反応においては、改質触媒上での炭素析出を防止するために、(1)式で示されるよりもメタンに対して過剰な量の水蒸気を供給する。発明者らの計算による、水蒸気/メタン比および改質温度と炭素析出との関係を図2に示す。
【0050】
図2に示すグラフは、圧力が15atmの場合の改質反応の平衡条件から導いたもので、水蒸気/メタン比および改質温度の条件が同グラフの曲線よりも下の領域にある場合には炭素析出の可能性がある。図2に示すように、改質温度がほぼ400℃より低い場合には、炭素析出を防ぐために必要な水蒸気量は急激に増加することが分かる。このため、改質器10における改質可能温度は、ほぼ400℃以上といえる。
【0051】
なお、本実施の形態においては、起動時の触媒の酸化を防ぐために、改質部10a内に原燃料すなわちメタンを封止し、この状態で略200℃以下の改質器酸化温度を越えて定格負荷状態に至るようにしたが、バルブ22を閉じてたままでバルブ17をあけ、改質部10a内に水蒸気を通流させた後バルブ17を閉じて水蒸気により改質部10a内を封止しても良い。このとき、改質部10a内は酸化雰囲気ではなく、水蒸気が封止された状態でほぼ200℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ400℃以上の改質可能温度に至る。このため、改質部10a内で触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【0052】
さらに、バルブ22とバルブ17を開け、改質部10a内にメタンと水蒸気を通流させた後バルブ22とバルブ17を閉じ、このことにより、水蒸気/メタン比の高いメタンと水蒸気によって改質部10a内を封止しても良い。このとき、改質部10a内は、酸化雰囲気ではないメタンと水蒸気が封止された状態で、ほぼ200℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ400℃以上の改質可能温度に至る。このため、触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【0053】
なお、本実施の形態においては、起動時の触媒の酸化を防ぐために、改質部10a内にメタンあるいは水蒸気を封止するものとしたが、タービン3の部分負荷運転を行ないながら燃焼器2内で原燃料を燃焼する状態から、負荷を増加して燃焼器2内で改質燃料を燃焼する状態に切り替える場合においても、全く同様の手順によって触媒の酸化を防ぐことができる。
【0054】
また、本実施の形態において、改質燃料を燃焼する状態から負荷を低下する場合には、排ガス9の温度はほぼ550℃〜600℃程度から徐々に低下する。このため改質器10の温度も徐々に低下してくる。このとき、改質器10の温度がほぼ400℃以上の改質可能温度まで低下する前に、バルブ25を開いて原燃料を燃焼器2に供給して燃焼させることにより、改質器10の温度がほぼ400℃以上の改質可能温度を下回った場合に改質器10での改質を停止しても、タービンの運転を継続することが可能となる。
【0055】
なお、この場合、改質器10での改質の停止前にバルブ17を閉じ、改質部10a内に原燃料のみを供給し、その後、バルブ22を閉じることによって改質部10a内に原燃料を封止する。これによって、改質部10a内は酸化雰囲気ではない原燃料が封止された状態となり、改質可能温度から改質器酸化温度以下の温度まで通過することができ、このため触媒の酸化が防止できる。また、改質器10での改質の停止前にバルブ22を閉じ、改質部10a内に水蒸気のみを供給し、その後、バルブ17を閉じることによって改質部10a内に水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止される。
【0056】
また、バルブ22およびバルブ17の操作によって改質部10a内に十分高い水蒸気/メタン比の原燃料と水蒸気を供給し、その後、バルブ17およびバルブ22を閉じて改質部10a内に十分高い水蒸気/メタン比の原燃料と水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止できる。
【0057】
さらに、本実施の形態において、バルブ17およびバルブ22が開いた状態で改質燃料を燃焼器2で燃焼する状態から運転停止する場合には、バルブ17を閉じ、改質部10a内に原燃料のみを供給し、その後バルブ22を閉じることによって改質部10a内に原燃料を封止する。バルブ22を閉じることによって燃焼器2への燃料供給が遮断され、タービン3の出力は低下し、圧縮機1の回転数も低下するため、燃焼器2の圧力も低下する。最終的に圧縮機1の回転が止まった状態では、燃焼器2内は大気圧の空気で満たされる。この燃焼器2の大気圧までの減圧の過程において、改質部10a内に封止されていた原燃料は徐々に燃焼器2内に排出されるが、ガスタービンが停止した状態においても改質部10aおよび改質燃料供給手段26内には大気圧の原燃料が残る。このため、改質部10a内は酸化雰囲気ではなく原燃料が封止された状態となり、改質器酸化温度以下の温度までを通過することができるため、触媒の酸化が防止できる。また同様に、改質器10での改質の停止直前にバルブ22を閉じ、改質部10a内に水蒸気のみを供給し、その後、バルブ17を閉じ改質部10a内に水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止される。また、バルブ22およびバルブ17の操作によって改質部10a内に十分高い水蒸気/メタン比の原燃料と水蒸気を供給し、その後、バルブ17およびバルブ22を閉じ改質部10a内に十分高い水蒸気/メタン比の原燃料と水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止できる。
【0058】
また、本実施の形態において、改質器10に供給される水蒸気の量を調整することにより原燃料の改質率を調整することが可能である。例えば、水蒸気の供給量を0にすれば、原燃料は改質されることなく、改質器10で排ガス9と単に熱交換をした後に、最終的に燃焼器2に供給される。この場合には、排ガス9からの排熱回収率が減収し、ガスタービンシステムの発生動力すなわち発電量が減少する替わりに、ユーティリティーへ供給される水蒸気の量は増加する。このように、本実施の形態においては、動力(電力)と水蒸気(熱)との発生割合を利用の形態に応じて調整する、いわゆる熱電可変なシステムが実現できる。
【0059】
なお、本実施の形態においては、燃焼器2における燃焼に空気6を用いるものとして説明したが、空気以外の組成をもつ酸素を含む流体、例えば酸素と二酸化炭素からなる流体、あるいは酸素とアルゴンとからなる流体、あるいは酸素とヘリウムとからなる流体等、その他の多くの組成の流体を用いることによっても、本発明の効果は同様に得られる。
【0060】
このように本実施の形態によれば、従来のような補助燃焼をおこなうことなくタービン起動時に改質器の温度を高め、原燃料の改質を行うことができる。さらに、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行なうことができる。また原燃料の改質による排熱回収によりガスタービンシステムの効率および出力が著しく向上し、また、熱電可変なガスタービンシステムが実現できる。
【0061】
第2の実施の形態
図3に本発明の第2の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図3に示す第2の実施の形態は、改質部10aに窒素、アルゴン等の不活性ガス、または二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを供給手段30により供給するとともに、供給手段30にバルブ31を設けたものであり、他は図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。
【0062】
図3において、触媒の酸化を防ぐための改質部10aのガス封止を、供給手段30からの窒素、不活性ガス、二酸化炭素の少なくとも一つにより行なう。燃焼器2からの逆流を防ぐため、バルブ31が用いられる。一般に、窒素、アルゴン等の不活性ガス、二酸化炭素は酸化を防ぐ環境としてメタン、水蒸気よりも優れている。このため、本実施の形態においては、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態においてより確実に改質触媒の酸化を防ぐことができ、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【0063】
第3の実施の形態
図4に本発明の第3の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図4に示す第3の実施の形態は、バルブ32を、改質部10aと燃焼器2との間の改質燃料供給手段26に設けたものである。他は、図3に示す第2の実施の形態と略同一である。
【0064】
本実施の形態において、タービン3の起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1および第2の実施の形態の場合とほぼ同様であるが、触媒の酸化を防ぐため、改質部10aを酸化雰囲気でないガスによる封止するとき、バルブ32を遮断する。このことにより例えば燃焼器2での燃焼振動や突発的な燃焼により燃焼器2内の圧力が高まった場合でも、改質部10a内を燃焼器2の状態によらず酸化雰囲気から守ることができる。このため、タービン3の起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態において、より確実に改質部10a内の触媒の酸化を防ぐことができ、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【0065】
第4の実施の形態
図5に本発明の第4の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図5に示す第4の実施の形態は、ユーティリティ蒸気供給手段18と燃焼器2との間に蒸気供給手段34を設け、蒸気供給手段34にバルブ33を取付けるとともに、圧縮機20の上流側に原燃料中に含まれる硫黄化合物を吸着する脱硫器35を設けたものである。他は図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。
【0066】
本実施の形態において、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1の実施の形態の場合とほぼ同様であるが、本実施の形態においては、蒸発器12で生じた蒸気を蒸気供給手段34により燃焼器2に供給することによりタービン3の出力および効率をさらに向上することができる。また脱硫器35により原燃料に含まれる硫黄化合物を取り除くことによって、改質部10a内の触媒の被毒を防ぎ、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態において、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【0067】
第5の実施の形態
図6に本発明の第5の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図6に示す第5の実施の形態は、原燃料供給手段27を圧縮機20の上流側に接続し、蒸発器12からの蒸気を用いたエゼクタ36により原燃料を加圧するものであり、他は図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。
【0068】
本実施の形態において、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1の実施の形態の場合とほぼ同様である。改質燃料を燃焼させる場合に、原燃料をエゼクタ36で加圧して改質器10に供給するために圧縮機20の駆動動力を必要としない。このためガスタービンシステムとしての出力および効率は、より向上したものとなる。
【0069】
第6の実施の形態
図7に本発明の第6の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図7に示す第6の実施の形態は、原燃料供給手段26を圧縮機20の上流側に接続するとともに、改質燃料供給手段26にモータ4で駆動される圧縮機40を設けたものであり、他は図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。
【0070】
本実施の形態において、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1の実施の形態の場合とほぼ同様である。改質器10と燃焼器2との間に改質燃料を加圧する圧縮機40を設けたので、改質器10における原燃料の改質を燃焼器2内の圧力よりもはるかに低い圧力で行なうことができる。
【0071】
一般に原燃料であるメタンの改質反応は改質時の圧力の影響を受ける。図8に、発明者らの計算によるメタンの改質率と圧力との関係を示す。ここで、改質率とは、原燃料として供給したメタンのうち水素および一酸化炭素に転化されたメタンの割合を示すもので、改質率が高いほど、原燃料メタンから水素および一酸化炭素への転化が多くなる。
【0072】
図8に示すように、圧力が低いほど改質率は高く、原燃料メタンから水素および一酸化炭素への転化が進むことがわかる。改質率が高く、メタンから水素および一酸化炭素への転化が多くなることによって、排ガス9からの排熱回収量も増え、ガスタービンシステムの効率および出力は向上する。
【0073】
このように本実施の形態においては、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行なうことができる。このため燃焼器内の圧力より低い圧力で原燃料の改質を行うことにより、排熱回収をさらに高め、ガスタービンシステムの効率および出力を向上することができる。
【0074】
第7の実施の形態
図9に本発明の第7の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図9に示す第7の実施の形態は、ユーティリティ蒸気供給手段18と燃焼器2との間に蒸気供給手段43を設け、この蒸気供給手段43にバルブ42を設けるとともに、原燃料供給手段27に原燃料中に含まれる硫黄化合物を吸着脱硫する脱硫器44を設けたものである。他は図7に示す第6の実施の形態と略同一である。
【0075】
本実施の形態において、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1の実施の形態の場合とほぼ同様で、また、燃焼器2の圧力よりも低い圧力で改質を行うことは第6の実施の形態と同様である。本実施の形態においては、蒸発器12で生じた蒸気を燃焼器2に供給することによりタービン3の出力および効率をさらに向上することができる。また、脱硫器44により原燃料に含まれる硫黄化合物を取り除くことによって、改質触媒の被毒を防ぎ、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態においてガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【0076】
第8の実施の形態
図10に本発明の第8の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図10に示す第8の実施の形態は、原燃料供給手段27を圧縮機10の上流側に接続し、ユーティリティ蒸気供給手段18にバルブ42を有する蒸気供給手段43を接続し、改質燃料供給手段26にエゼクタ45を設けるとともに、蒸気供給手段43をエゼクタ45に接続したものである。他は図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。
【0077】
本実施の形態においてガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第1の実施の形態の場合とほぼ同様で、また、燃焼器2の圧力よりも低い圧力で改質を行うことは第6の実施の形態と同様である。改質された燃料を燃焼させる場合に、改質燃料を加圧して燃焼器2に供給するためにエゼクタ45を用いるので、圧縮機駆動のための動力を必要としない。このためガスタービンシステムとしての出力および効率はより向上したものとなる。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のような補助燃焼をおこなうことなくガスタービン起動時に改質器の温度を高め、原燃料の改質を行うことができる。さらに、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行い、原燃料の改質による排熱回収によりガスタービンシステムの効率および出力を向上することができる。また、改質率を調整することにより電力と熱との出力の割合を調整できる熱電可能なガスタービンシステムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図2】メタン改質における炭素析出特性を示す線図。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図4】本発明の第3の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図5】本発明の第4の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図6】本発明の第5の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図7】本発明の第6の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図8】メタン改質率の圧力依存特性を示す線図。
【図9】本発明の第7の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図10】本発明の第8の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【符号の説明】
1 圧縮機
2 燃焼器
3 タービン
4 発電機
10 改質器
10a 改質部
12 蒸発器
15 ポンプ
17 バルブ
18 ユーティリティ蒸気供給手段
20 圧縮機
21 原燃料供給手段
22 バルブ
24 原燃料供給手段
25 バルブ
26 改質燃料供給手段
27 原燃料供給手段
28 バルブ
31 バルブ
32 バルブ
33 バルブ
34 水蒸気供給手段
35 脱硫器
36 エゼクタ
40 圧縮機
41 モータ
42 バルブ
43 水蒸気供給手段
44 脱硫器
45 エゼクタ
46 改質用蒸気供給手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine system that generates power and an operation method thereof, and more particularly, to a gas turbine system that chemically reforms fuel using exhaust gas and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
A gas turbine system is generally used to supply power, and many are used as a power generation system by supplying power to a generator and converting it into electric power. The basic operation principle of a gas turbine system is that a fuel such as methane is burned by a fluid containing oxygen for combustion such as air pressurized by a compressor, and the resulting combustion gas is passed through a stationary blade. The power is obtained by spraying the rotor blades, and rotating the rotor with the rotor blades. In such a gas turbine system, the efficiency can be increased by increasing the temperature of the combustion gas.
[0003]
Generally, the stationary blades and the moving blades are made of a metal material, and the combustion gas temperature cannot be increased beyond the heat resistance temperature of the metal material without cooling these blades by some means. For this reason, a cooling medium is allowed to flow inside the blade and the blade member is cooled by the cooling medium, or the cooling medium is blown out from the inside of the blade to the blade surface. A method is used in which a film is formed to reduce the transfer of heat from the combustion gas to the blade member. However, even if such a cooling means is used, there is a limit to the increase in the combustion gas temperature. Further, in the method of blowing the cooling medium to the blade surface and reducing the transfer of heat to the blade member, the combustion gas temperature is reduced. As the flow rate rises, the flow rate of the cooling medium also increases, and it is difficult to effectively increase the efficiency due to the influence of the temperature drop due to the mixing of the low temperature cooling medium into the high temperature combustion gas.
[0004]
For this reason, attempts have been made to increase efficiency by recovering the thermal energy remaining in the exhaust gas finally discharged from the gas turbine system with the combustion gas after passing through the moving blades and taking out the power. A typical example is that exhaust gas is guided to an exhaust heat recovery boiler to generate high-temperature and high-pressure steam. This is due to the combined cycle that collects and improves the efficiency of the entire system.
[0005]
In recent years, as another means of improving efficiency by recovering exhaust heat from exhaust gas, the fuel supplied to the gas turbine is chemically reformed by the thermal energy contained in the exhaust gas, and the exhaust gas is improved by improving the chemical energy of the fuel. Proposals have been made to recover heat and improve the efficiency of gas turbine systems.
[0006]
Currently, natural gas is one of the widely used fuels for gas turbines, and the main component of natural gas is methane. As a typical reforming method of methane, there is known a method in which steam is added to methane, and it is converted to hydrogen and carbon monoxide by maintaining a high temperature in the presence of a catalyst such as nickel. As such a gas turbine system for reforming fuel by using methane as a main fuel and gas turbine exhaust gas, for example, those disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-286835 (Patent No. 2581825) or Japanese Patent Laid-Open No. 7-269371 have been proposed. Yes.
[0007]
In these proposals, for example, as described in JP-A-7-269371, it is generally considered necessary for reforming methane at a pressure of 7-13.8 ata (0.7-1.38 MPa). Means are described for filling the difference between the temperature of 650 ° C. or higher, preferably about 800 ° C., and the temperature of the gas turbine exhaust gas, which is about 550 ° C. Specifically, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-286835 discloses means for increasing the temperature during reforming by providing an auxiliary combustor in front of the reforming means and burning the fuel with the auxiliary combustor. . Further, in JP-A-7-269371, a turbine blade is cooled by passing water vapor through the blade, and the steam heated to a high temperature by cooling is supplied to the reforming means to raise the reforming temperature above the exhaust gas temperature. Has been proposed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these proposals, the operation methods such as starting, changing load, and stopping of such a gas turbine system are not considered in detail.
[0009]
In general, when the temperature of the reforming means is increased by auxiliary combustion, it is known that it is difficult to improve the efficiency of the gas turbine system because fuel is supplied to other than the combustor of the gas turbine. For this reason, in order to obtain high efficiency, it is necessary to perform reforming without using auxiliary combustion, but means for raising the temperature of the reforming means without auxiliary combustion when starting the gas turbine is required. .
[0010]
Further, as described above, a catalyst such as nickel is necessary for reforming methane, and the reforming means is filled or coated with such a catalyst, and contact with methane and water vapor is performed at a high temperature to improve the reforming. The quality reaction proceeds. It is known that a catalyst such as nickel becomes nickel oxide or the like in a high-temperature oxidizing atmosphere, and the performance as a catalyst is remarkably lowered, making it difficult to perform effective reforming. In the operation of a gas turbine system, it is sufficiently considered that the catalyst is exposed to a high-temperature oxidizing atmosphere depending on conditions. Therefore, a means for preventing oxidation of the catalyst and preventing deterioration of reforming performance is required.
[0011]
The present invention has been made in consideration of such points, and the energy recovery rate from the exhaust gas of the gas turbine is high and highly reliable even in the operating state such as the start, load change, and stop of the gas turbine system. It is an object of the present invention to provide a gas turbine system and an operation method thereof.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a compressor that compresses a fluid containing oxygen for combustion, a combustor that combusts fuel using the fluid containing oxygen, a turbine that converts combustion gas generated in the combustor into power, and an exhaust gas of the turbine. A reformer that chemically reforms the raw fuel using at least a part as a heat source, a reformed fuel supply means that supplies the reformed fuel in the reformer to the combustor, and a raw material that supplies the raw fuel to the combustor A gas turbine system comprising fuel supply means.
[0013]
The present invention further includes an evaporator for evaporating water using at least part of the exhaust gas from the turbine as a heat source and supplying steam, and supplying the steam from the evaporator to at least one of the reformer and the combustor. This is a gas turbine system.
[0014]
As a result, exhaust heat recovery in the gas turbine system is performed not only in the reformer but also in evaporation, and the recovered thermal energy is supplied to the combustor of the gas turbine, further improving the efficiency and output of the gas turbine system. can do.
[0015]
The present invention is a gas turbine system further comprising a desulfurizer for adsorptive desulfurization of a sulfur compound contained in a raw fuel sent to a reformer.
[0016]
Thereby, poisoning to the reforming catalyst by the sulfur compound in the raw fuel can be prevented, and deterioration of reforming performance due to poisoning can be prevented.
[0017]
The present invention is a gas turbine system characterized in that means for pressurizing the reformed fuel is provided between the reformer and the combustor.
[0018]
Thereby, the reforming of the raw fuel can be performed at a low pressure, the reforming rate can be increased, and further, the efficiency and output of the gas turbine system can be improved.
[0019]
The present invention provides a gas turbine system operation method in which a raw fuel supply means supplies raw fuel to a combustor at the start of turbine operation or partial load operation, and the raw fuel flow rate is increased and heated. The reformer is reformed by the reformer after the reformer reaches the reformable temperature, and the reformed reformed fuel is supplied to the combustor by the reformed fuel supply means. The operation method of the gas turbine system.
[0020]
As a result, raw fuel can be supplied to the combustor at the start of gas turbine operation or when the load increases from partial load operation, and the temperature of the reformer can be reformed even in a gas turbine system without auxiliary combustion means. Can be as high as possible. Furthermore, when the reformer becomes hot and reforming is possible, the reformed fuel is supplied to the combustor, so that the exhaust heat recovery by the reformer is performed to improve the efficiency and output of the gas turbine system. can do.
[0021]
In the present invention, at the start of operation or partial load operation, before the reforming temperature is reached before the reformer reaches the oxidation temperature, at least one of raw fuel and steam is passed through or sealed in the reformer. The operation method of the gas turbine system is characterized by stopping.
[0022]
According to the present invention, at the time of starting the operation or partial load operation, the reformer is provided with at least one of inert gas and carbon dioxide before reaching the reforming temperature before reaching the oxidation temperature of the reformer. An operation method of a gas turbine system, characterized by passing or sealing.
[0023]
As a result, the catalyst in the reformer is not exposed to high temperatures in an oxidizing atmosphere at the start of gas turbine system operation or when the load increases from partial load operation, preventing oxidation of the reforming catalyst and reducing reforming performance. Can be prevented.
[0024]
The present invention provides a gas turbine system operating method in which a reformer supplies reformed fuel to a combustor when the turbine load is reduced or stopped, and the temperature of the reformed fuel is reduced by reducing the flow rate. And a step of supplying the raw fuel to the combustor by the raw fuel supply means before the reformer reaches the reformable temperature.
[0025]
As a result, until the temperature of the reformer decreases and exhaust heat recovery by reforming cannot be performed, exhaust gas heat recovery can improve the efficiency and output of the gas turbine system, and the reformer can be reformed at a temperature that can be reformed. The operation of the gas turbine can be continued even at a load as low as less than.
[0026]
According to the present invention, when the load is reduced or when the operation is stopped, the reformer stops at the reforming temperature and reaches a temperature equal to or lower than the oxidation temperature of the reformer. The method of operating the gas turbine system according to the above, wherein the flow through one side is sealed.
[0027]
The present invention provides the reformer with at least one of inert gas and carbon dioxide from when the load is reduced or when the operation is stopped until the reformer stops the reforming and reaches a temperature equal to or lower than the oxidation temperature of the reformer. A gas turbine system operating method characterized by passing or sealing any one of them.
[0028]
As a result, when the gas turbine system is stopped, the catalyst in the reformer is not exposed to a high temperature in an oxidizing atmosphere, so that oxidation of the reforming catalyst can be prevented and deterioration of reforming performance can be prevented.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First embodiment
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0030]
FIG. 1 is a system diagram of a gas turbine system according to a first embodiment of the present invention.
[0031]
As shown in FIG. 1, the gas turbine system includes a compressor 1 that compresses air 6, and a raw fuel or reformed fuel supply means 26 that is supplied by raw fuel supply means 24 by air 7 compressed by the compressor 1. A
[0032]
The power generated in the
[0033]
Here, natural gas or city gas, which is widely used as gas turbine fuel, is assumed as the raw fuel, but in any case, the main component is methane. The reformed fuel combusted in the
[0034]
In this case, in the
[0035]
The
[0036]
The raw fuel supply means 24, the raw fuel supply means 27, the reforming steam supply means 46, and the utility steam supply means 18 are provided with a
[0037]
Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described. At the start of the gas turbine system, the reforming
[0038]
When the rotational speed of the compressor 1 is about 20% of the rated rotational speed, the
[0039]
The supply of raw fuel to the
[0040]
At the time of such startup, the temperature of the
[0041]
In the present embodiment, in order to prevent such oxidation of the catalyst at the time of startup, the
[0042]
Such sealing with the raw fuel in the reforming
[0043]
In parallel with this, water is supplied to the
[0044]
When the
[0045]
Thereafter, the
[0046]
Here, switching from operation by combustion of raw fuel to operation by combustion of reformed fuel has been described as after rated load operation, but such operation switching can be performed by the
[0047]
Here, the reforming reaction of the raw fuel in the
[0048]
CH4+ H2O → 3H2+ CO (1)
Here, the methane reforming reaction is an endothermic reaction, and the heat used for this reaction, that is, the exhaust heat of the
[0049]
In such a methane steam reforming reaction, in order to prevent carbon deposition on the reforming catalyst, an excessive amount of steam is supplied relative to methane than represented by the formula (1). FIG. 2 shows the relationship between the steam / methane ratio, reforming temperature, and carbon deposition, as calculated by the inventors.
[0050]
The graph shown in FIG. 2 is derived from the reforming reaction equilibrium conditions when the pressure is 15 atm, and the steam / methane ratio and reforming temperature conditions are in the region below the curve of the graph. There is a possibility of carbon deposition. As shown in FIG. 2, it can be seen that when the reforming temperature is lower than about 400 ° C., the amount of water vapor necessary for preventing carbon deposition increases rapidly. For this reason, the reformable temperature in the
[0051]
In this embodiment, in order to prevent oxidation of the catalyst at the time of starting, raw fuel, that is, methane is sealed in the reforming
[0052]
Further, the
[0053]
In the present embodiment, methane or water vapor is sealed in the reforming
[0054]
In the present embodiment, when the load is reduced from the state where the reformed fuel is burned, the temperature of the
[0055]
In this case, the
[0056]
Further, by operating the
[0057]
Further, in the present embodiment, when the operation is stopped from the state in which the reformed fuel is combusted in the
[0058]
In the present embodiment, the reforming rate of the raw fuel can be adjusted by adjusting the amount of water vapor supplied to the
[0059]
In the present embodiment, it has been described that air 6 is used for combustion in the
[0060]
Thus, according to the present embodiment, the reformer can be reformed by increasing the temperature of the reformer at the time of starting the turbine without performing auxiliary combustion as in the prior art. Furthermore, the operation can be performed without causing deterioration in the reforming performance due to oxidation of the reforming catalyst in any state of starting, increasing the load, decreasing the load, and stopping the operation. In addition, exhaust gas recovery by reforming raw fuel significantly improves the efficiency and output of the gas turbine system, and a gas turbine system with variable thermoelectric power can be realized.
[0061]
Second embodiment
FIG. 3 shows a system diagram of a gas turbine system according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment shown in FIG. 3, at least one of inert gas such as nitrogen, argon, or carbon dioxide is supplied to the reforming
[0062]
In FIG. 3, gas sealing of the reforming
[0063]
Third embodiment
FIG. 4 shows a system diagram of a gas turbine system according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment shown in FIG. 4, the
[0064]
In the present embodiment, the procedures for starting the
[0065]
Fourth embodiment
FIG. 5 shows a system diagram of a gas turbine system according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment shown in FIG. 5, the steam supply means 34 is provided between the utility steam supply means 18 and the
[0066]
In this embodiment, the procedures for starting the gas turbine, increasing the load, reducing the load, and stopping the operation are substantially the same as those in the first embodiment, but in the present embodiment, the
[0067]
Fifth embodiment
FIG. 6 shows a system diagram of a gas turbine system according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment shown in FIG. 6, the raw fuel supply means 27 is connected to the upstream side of the
[0068]
In the present embodiment, the procedures for starting the turbine, increasing the load, decreasing the load, and stopping the operation are substantially the same as those in the first embodiment. When the reformed fuel is burned, the driving power of the
[0069]
Sixth embodiment
FIG. 7 shows a system diagram of a gas turbine system according to the sixth embodiment of the present invention. In the sixth embodiment shown in FIG. 7, the raw fuel supply means 26 is connected to the upstream side of the
[0070]
In the present embodiment, the procedures for starting the gas turbine, increasing the load, decreasing the load, and stopping the operation are substantially the same as those in the first embodiment. Since the
[0071]
In general, the reforming reaction of methane, which is a raw fuel, is affected by the pressure during reforming. FIG. 8 shows the relationship between the reforming rate of methane and the pressure calculated by the inventors. Here, the reforming rate indicates the proportion of methane that has been converted to hydrogen and carbon monoxide in the methane supplied as the raw fuel. The higher the reforming rate, the higher the reforming rate from hydrogen and carbon monoxide. More conversion to
[0072]
As shown in FIG. 8, it is understood that the lower the pressure, the higher the reforming rate, and the conversion from raw fuel methane to hydrogen and carbon monoxide proceeds. As the reforming rate is high and the conversion from methane to hydrogen and carbon monoxide increases, the amount of exhaust heat recovered from the
[0073]
As described above, in the present embodiment, the operation can be performed without causing the deterioration of the reforming performance due to the oxidation of the reforming catalyst in any state at the time of start-up, load increase, load decrease, and operation stop. it can. Therefore, by reforming the raw fuel at a pressure lower than the pressure in the combustor, exhaust heat recovery can be further enhanced, and the efficiency and output of the gas turbine system can be improved.
[0074]
Seventh embodiment
FIG. 9 shows a system diagram of a gas turbine system according to the seventh embodiment of the present invention. In the seventh embodiment shown in FIG. 9, a steam supply means 43 is provided between the utility steam supply means 18 and the
[0075]
In the present embodiment, the procedures for starting the turbine, increasing the load, decreasing the load, and stopping the operation are substantially the same as those in the first embodiment, and the reforming is performed at a pressure lower than the pressure of the
[0076]
Eighth embodiment
FIG. 10 shows a system diagram of a gas turbine system according to the eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment shown in FIG. 10, the raw fuel supply means 27 is connected to the upstream side of the
[0077]
In this embodiment, the procedures for starting, increasing the load, reducing the load, and stopping the operation of the gas turbine are substantially the same as those in the first embodiment, and the reforming is performed at a pressure lower than the pressure of the
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the reformer can be reformed by increasing the temperature of the reformer when starting the gas turbine without performing auxiliary combustion as in the prior art. In addition, the system can be operated without degradation of reforming performance due to oxidation of the reforming catalyst in any state of startup, load increase, load decrease, or shutdown, and exhaust heat recovery by raw fuel reforming As a result, the efficiency and output of the gas turbine system can be improved. Moreover, the thermoelectric gas turbine system which can adjust the ratio of the output of electric power and heat by adjusting the reforming rate can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of a gas turbine system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing carbon deposition characteristics in methane reforming.
FIG. 3 is a system diagram of a gas turbine system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a system diagram of a gas turbine system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a system diagram of a gas turbine system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a system diagram of a gas turbine system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a system diagram of a gas turbine system according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the pressure dependence characteristics of the methane reforming rate.
FIG. 9 is a system diagram of a gas turbine system according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a system diagram of a gas turbine system according to an eighth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Compressor
2 Combustor
3 Turbine
4 Generator
10 Reformer
10a reforming section
12 Evaporator
15 Pump
17 Valve
18 Utility steam supply means
20 Compressor
21 Raw fuel supply means
22 Valve
24 Raw fuel supply means
25 Valve
26 Reformed fuel supply means
27 Raw fuel supply means
28 Valve
31 Valve
32 valves
33 Valve
34 Water vapor supply means
35 Desulfurizer
36 Ejecta
40 Compressor
41 motor
42 Valve
43 Water vapor supply means
44 Desulfurizer
45 Ejecta
46 Steam supply means for reforming
Claims (8)
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を増加させ、タービンからの排ガス温度を上昇させることによって、改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給する工程とを備え、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時であって、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。A compressor that compresses a fluid containing oxygen for combustion, a combustor that burns fuel with the fluid containing oxygen, a turbine that converts combustion gas generated in the combustor into power, and at least a part of the exhaust gas of the turbine A reformer that chemically reforms the raw fuel as a heat source, a reformed fuel supply means that supplies the reformed fuel in the reformer to the combustor, and a raw fuel supply means that supplies the raw fuel to the combustor In a method for operating a gas turbine system comprising:
A step of supplying raw fuel to the combustor by raw fuel supply means at the start of gas turbine operation or during partial load operation until the reformer reaches a reformable temperature ;
After the reformer reaches the reformable temperature by increasing the flow rate of the raw fuel and raising the exhaust gas temperature from the turbine , the reformed fuel reformed by the reformer is supplied by the reformed fuel supply means. A process of supplying to the combustor,
Gas turbine operation at the start or reformer a partial load operation to reach a reformable temperature, between before reaching the oxidation temperature of the reformer until the reforming raw fuel to the reformer Or the operation method of the gas turbine system characterized by passing or sealing at least any one of water vapor | steam.
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を増加させ、タービンからの排ガス温度を上昇させることによって、改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給する工程とを備え、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時であって、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。A compressor that compresses a fluid containing oxygen for combustion, a combustor that burns fuel with the fluid containing oxygen, a turbine that converts combustion gas generated in the combustor into power, and at least a part of the exhaust gas of the turbine A reformer that chemically reforms the raw fuel as a heat source, a reformed fuel supply means that supplies the reformed fuel in the reformer to the combustor, and a raw fuel supply means that supplies the raw fuel to the combustor In a method for operating a gas turbine system comprising:
A step of supplying raw fuel to the combustor by raw fuel supply means at the start of gas turbine operation or during partial load operation until the reformer reaches a reformable temperature ;
After the reformer reaches the reformable temperature by increasing the flow rate of the raw fuel and raising the exhaust gas temperature from the turbine , the reformed fuel reformed by the reformer is supplied by the reformed fuel supply means. A process of supplying to the combustor,
Gas turbine operation at the start or reformer a partial load operation to reach a reformable temperature, between before reaching the oxidation temperature of the reformer until the reforming, reformer inert A method for operating a gas turbine system, characterized by passing or sealing at least one of gas and carbon dioxide.
タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を減少させ、タービンからの排ガス温度を低下させることによって、改質器が改質可能温度より低い温度まで下がった後に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程とを備え、
負荷低下時あるいは運転停止時であって、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。A compressor that compresses a fluid containing oxygen for combustion, a combustor that burns fuel with the fluid containing oxygen, a turbine that converts combustion gas generated in the combustor into power, and at least a part of the exhaust gas of the turbine A reformer that chemically reforms the raw fuel as a heat source, a reformed fuel supply means that supplies the reformed fuel in the reformer to the combustor, and a raw fuel supply means that supplies the raw fuel to the combustor In a method for operating a gas turbine system comprising:
A step of supplying reformed fuel to the combustor at the reformer when the load of the turbine is reduced or the operation is stopped;
Supplying the raw fuel to the combustor by the raw fuel supply means after the reformer has been lowered to a temperature lower than the reformable temperature by reducing the flow rate of the raw fuel and lowering the temperature of the exhaust gas from the turbine ; With
A or when the operation is stopped when the load is lowered, stop the reforming in the reformer up to the oxidation temperature below the temperature of the reformer, at least one of a raw fuel or steam to the reformer A method for operating a gas turbine system, characterized by passing or sealing.
タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を減少させ、タービンからの排ガス温度を低下させることによって、改質器が改質可能温度より低い温度まで下がった後に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程とを備え、
負荷低下時あるいは運転停止時であって、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。A compressor that compresses a fluid containing oxygen for combustion, a combustor that burns fuel with the fluid containing oxygen, a turbine that converts combustion gas generated in the combustor into power, and at least a part of the exhaust gas of the turbine A reformer that chemically reforms the raw fuel as a heat source, a reformed fuel supply means that supplies the reformed fuel in the reformer to the combustor, and a raw fuel supply means that supplies the raw fuel to the combustor In a method for operating a gas turbine system comprising:
A step of supplying reformed fuel to the combustor at the reformer when the load of the turbine is reduced or the operation is stopped;
Supplying the raw fuel to the combustor by the raw fuel supply means after the reformer has been lowered to a temperature lower than the reformable temperature by reducing the flow rate of the raw fuel and lowering the temperature of the exhaust gas from the turbine ; With
At least one of inert gas and carbon dioxide is applied to the reformer when the load is reduced or when the operation is stopped , until the reformer stops the reforming and reaches a temperature equal to or lower than the oxidation temperature of the reformer. A method of operating a gas turbine system, characterized in that one is passed or sealed.
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