JP3984314B2 - パワーステーションプラントの運転法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼ユニットと、少なくとも１つのタービンとから構成され、かつ燃焼ユニットが燃焼室と、これの上流に接続されていて燃焼空気の少なくとも一部を整えるための調整段とから成る形式のパワーステーションプラントの運転法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
広い負荷範囲を有するパワーステーションプラントの燃焼室では、有害物質発生の乏しい状態で高い効率の燃焼をいかに実施することができるかという問題が常に課せられる。その場合、圧倒的にＮＯｘの軽減が前面に出されるが、しかし将来的にはＵＨＣ（未燃焼炭素・水素）及びＣＯ放出物を極力軽減しなければならないことは明らかである。特に、異なる種々の燃料が使用される場合には、ある１種類の燃料、例えばオイルを、特定の有害物質、例えばＮＯｘ放出物の軽減を目指して調整する手段を、その他の種類の燃料のために、かつその他の有害物質の軽減のために満足に援用することはできない。多段の燃焼室の場合には、第２段を貧で運転することが努力されている。このことは、第２段内への入口のところで十分に高い温度が得られることにより第２段内での少ない燃料量でも完全燃焼を得ることがてきる場合にのみ可能であり、換言すれば、第１段内の燃料空気混合物は著しくコンスタントに維持されなければならないということであり、このことは例えば公知のディフユージョンバーナによる燃焼時には可能であるが、しかし許容できない高い有害物質放出が生じる。
【０００３】
これに関して、多段燃焼において触媒段を設けるという提案が公知である。この場合、触媒作用を燃焼前の使用燃料の転化、例えばガス燃料ではＣＯ2，Ｈ2ＯもしくはＨ2，ＣOへの部分転化に利用することがてきる。この方法では、基本的には常に同じ問題、要するに一面では使用燃料に関する触媒の運転適性及び運転効率と、他面においては放出物に乏しい燃焼混合物の正しい組成とに関する問題が課せられる。
【０００４】
さらに、第１の燃焼段の下流で作用する触媒的な中間の燃焼段を設けることも公知である。この中間的な燃焼段の役目は、下流に接続された触媒的な燃焼段内で行われる触媒的な燃焼のための前提を作ることにあり、その場合、この触媒的な燃焼段内では、形成された全燃料空気混合物を燃焼させる必要がある。この場合、触媒的な燃焼段の上流に接続された中間的な燃焼段内での回避できない温度変動に基づき、触媒の損傷又は熱破壊が容易に発生するおそれがある。
【０００５】
さらに有害物質放出に関連しても、前述の提案は納得できるものではない。それというのは、触媒の上流に接続された燃焼段はその全運転中に有害物質を生成し、その結果、有害物質放出のいわば基本負荷が常に存在し、この有害物質放出が、次の燃焼過程で生じた有害物質放出に加えられ、従って、この理由からすでに有害物質放出の軽減が不可能であるからである。
【０００６】
さらに、上流で行われた燃焼に由来する排ガスの触媒内で行われる転化が新たな有害物質を発生し、その有害物質に関連した結果が、認識される限りでは、その詳細について未だに究明されておらず、従ってこの点に関しても依然として不確実である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、冒頭に記載した運転法において、触媒段の使用に関連して、熱ガスの発生の際の有害物質放出を減少させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、請求項１に記載のように、圧縮空気の一部を調整段を通して通流せしめて燃料量と混合せしめ、かつ水素発生器内で分溜せしめ、次いで燃焼室内へ流入せしめると共に、残りの圧縮空気を同様に燃焼室内へ通流せしめ、かつその一部により、燃焼室に所属する始動バーナを、かつその他の部分により、準備段からの分溜された燃焼空気との協働により、始動バーナの上流で作動して同様に燃焼室に所属する触媒段をそれぞれ独立的に運転せしめ、かつ、この触媒段を介しかつ始動バーナを介して熱量的に調整された全燃焼空気を下流の第２の燃焼段内へ通流せしめ、この第２の燃焼段内で熱ガスの発生のための別の燃焼を実施せしめることにより解決される。
【０００９】
本発明対象物においては主として、清浄空気又は燃料空気混合物であることのできる燃焼空気のための調整段と、これの下流に接続された燃焼段とから成る回路が設けられている。この回路におけ重要な点は、運転コンセプトを特徴付ける手段が講じられていることにある。始動は触媒の下流で作動するバーナを介して行われ、このバーナの最大温度は以下に詳しく説明されるように制限されている。本パワーステーションプラントの負荷はこの始動バーナによりほぼ２０％まで高められる。次いで、燃料供給が行われ、燃料が触媒段へ供給される。ここにおいて行われる燃焼はほぼ１０００℃までの温度で行われる。次いで、始動バーナの下流で作動する第２の燃焼段が接続され、この第２の燃焼段内で熱ガスが定格温度へ調整される。基本的には、始動バーナ及び第２の燃焼段は混合気の形成のために直に燃料の供給を受ける。触媒段のためには、すでに説明したように、燃料空気混合物を調整する別の調整手段が設けられている。この目的のために、圧縮空気の一部が主流から取り出されてまず予熱される。次いで、この空気は富の燃料空気混合物を得るために適当量の燃料と混合される。次いで、この燃料空気混合物は、種々のガス成分への分溜、この場合には水素ガスへの分溜が行われる発生器を通流させられる。有利にはこの分溜は触媒を介して行われるが、非触媒的な分溜も可能である。次いで、この分溜された燃焼空気は触媒段の上流で、残りの圧縮空気と適当量の燃料とに混合されて混合気として調整される。（触媒段は、圧縮空気の一部と燃料とにより始動バーナが運転された後に、かつプラントの負荷がすでに説明したようにほぼ２０％高められた後に初めて機能する。）次いで、触媒段及び第２の燃焼段が運転させられ、これにより、プラントは熱的にも負荷的にも定格運転へ高められる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の著しい利点とするところは、先に行われた燃焼に由来する熱ガス又は排ガスが触媒段に供給されないこと、並びにこれにより有害物質を発する前負荷を避けられることにある。それゆえ、触媒段は、触媒段内で使用される触媒の種々の運転パラメータに適合する最適な混合気により運転される。触媒から到来する熱ガスは一定温度では燃焼技術的に著しく有害物質に乏しい。
【００１１】
本発明の別の著しい利点とするところは、調整段内の発生器からの水素成分が特に触媒段での燃焼を促進せしめることにある。
【００１２】
第２の燃焼段は、専ら又はほぼ触媒段から到来する、有害物質に乏しい熱ガスの供給を受け、従って、続いて行われる温度上昇過程が全面的な有害物質放出の責を負う。この第２の燃焼段内には所定量の圧縮空気が導入されるのは勿論であるが、この圧縮空気は、次いで調整されるべき火炎温度がプラントの効率阻害を招くことがないように配量されなければならない。
【００１３】
本発明に基づく有利かつ効果的な別の構成がその他の請求項に記載されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次ぎに本発明の図示の実施例を詳細に説明する。図面には本発明の直接的な理解に不必要なエレメントは排除されている。すべての図面において同じエレメントは同じ符号で示されている。媒体の流れ方向は矢印により示されている。
【００１５】
図１にはガスタービンの回路が示されており、このガスタービンの種々の装置、すなわち流体機械は一般的に構成されている。圧縮機４は、熱量的な調整段を通過した後に熱ガスとしてタービン１２に供給される圧縮空気１３の調整のために稼働する。このタービン１２からの排ガスは次いで例えば組合せプラント、いわゆるコンビプラントの構成部分としての蒸気回路の運転を維持するために使用される。圧縮機４の下流で圧縮空気１３の一部１３ａが分岐され、補助圧縮機５内へ導入される。この補助圧縮機５内では付加的な圧縮が行われる。次いでこの圧縮空気の一部１３ａは熱源１７から熱の供給を受ける熱反応装置６内へ流入する。それと同時に、この熱反応装置６内には付加的に水１８も噴入され、これにより、空気・蒸気混合物が生じる。この熱反応装置６の下流でこの空気・蒸気混合物に、セントラル燃料供給部１４から到来する燃料量１４ａが予め熱交換器９を通って混入される。熱反応装置５の下流の混合装置７内で均一な混合気が形成される。その場合、混合装置内の温度は４００℃である。このように形成又は組成された混合気１３ｂは次いで下流の水素発生器８内へ導入される。この水素発生器８内では燃焼空気として作用する混合気が複数のガス成分、特にＮ2，ＣＯ，Ｈ2へ分溜される。これらのガス成分は、分溜の際に与えられる温度の調整を目的として、すでに説明したように燃料量１４ａにより通流されて熱交換を行う熱交換器９を通して案内される。このように熱量的に調整されかつ分溜された燃焼空気１６ａは次いで混合室１０内に流入する。この混合室１０内では別の燃料量１４ｂによる主混合気形成が行われる。その混合気１６ｂは次いで触媒段２を通流する。この触媒段２の下流には、始動バーナ１の上流で作動するスワール発生器１１が配置されている。流れ方向でこの始動バーナ１に続いて、第２の燃焼段３が設けられており、この第２の燃焼段内では熱ガス１５の最終的な調整が行われる。次いでこの熱ガスが下流のタービン１２に供給される。始動バーナ１並びに第２の燃焼段３はそれぞれ、セントラル燃料供給部１４から同様に分岐された適当な燃料量１４ｃもしくは１４ｄにより運転される。このタービン１２から到来する排ガスは例えば逐次燃焼方式で再び熱ガスに調整されるか、又はすでに説明したように、蒸気発生プロセス内へ導入され、この蒸気発生プロセス内で蒸気タービンの運転のための蒸気が調整される。始動バーナ１の燃焼プロセス、触媒段、第２の燃焼段並びにそれぞれの燃焼段の間の関連を次の図面の記述により詳しく説明する。
【００１６】
圧縮機４から到来する圧縮空気１３の主流からのそれぞれの分流及びセントラル燃料供給部１４からのそれぞれの分流は、適性に機能する調整機構１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆの配置により制御される。
【００１７】
図２は、個々の管から成る又は環状室として形成されたユニット状の燃焼室を成す個々の燃焼段の実際的な構成を示す。燃焼室が環状に構成されている場合には、この燃焼室は軸線を中心として多数配置された個々の管から成ることもできる。圧縮空気１３は、すでに図１で同じ位置関係で図示されている混合室１０内へ流入する。この混合室１０は触媒段２の運転のための混合気すなわち燃料空気混合物を調整する機能を果たしている。混合室１０と始動バーナ１の燃焼区域２５との間には中央の燃料ノズル管２４が延在しており、この燃料ノズル管２４は一方では触媒段２への全燃焼空気、すなわち圧縮空気１３と燃焼空気１６ａとのための燃料量１４ｂの供給と、他面において始動バーナ１の運転のための燃料量１４ｃの供給とを受け持っている。この始動バーナ１のその他の運転手段として有利には所要空気の供給のための直接経路が設けられている。この直接経路による燃料及び空気の供給は同様に中央の燃料ノズル管２４又は噴入開口２２を介して外部から始動バーナ１の燃焼区域２５内へ行われる。混合室１０の下流には触媒段２が作動しており、触媒段内での燃焼はここに設けられた触媒的な積層並びに複数の触媒段により行われる。触媒段２を形成するそれぞれの触媒段は、使用燃料の最適な酸化及び又は転化が得られるように通流に関連して適当に形成されており、かつ種々の触媒的な材料により積層されている。触媒段２内で生じるピーク温度及び最終温度に関連して所定限界を上回ることがないように最適な措置が施されなければならないのはいうまでもない。有利には触媒段２内の種々の触媒段にわたり温度の上昇を次第に増大せしめ、その際、１つの触媒段ごとに、対応する触媒材料との発熱反応に係わる燃焼空気の種々のガス成分が適宜考慮される。この措置の最終的な目的は、一面においては有害物質放出の軽減を図ると共に、他面においては熱量的に均一な熱ガスをこの触媒段から生成させることにあり、このことは下流に接続された第２の燃焼段３内で有利にはバーナを使用しない燃焼を可能ならしめる、換言すれば、第２の燃焼段３内に噴入された燃料量１４ｄにより燃焼が自己着火で生じるようにする。この目的のためには、相応する燃料の供給のための燃料ノズル２０を燃焼区域２５の周囲に半径方向に配置する必要があるのみである。燃料組成に応じて、これに必要な温度はほぼ８００℃以上である。始動バーナ１を介してこのプラントの負荷がほぼ２０％までしか高められないために、残りの燃焼空気量が強制的に触媒段２を介して導入されなければならない。触媒段の下流に、すでに説明したように、スワール発生器１１が配置されており、このスワール発生器は有害物質放出の軽減と、燃焼に由来する効率の向上とを確実にする狭く制限された温度レベルに関する最適の基準で、混合気形成と第２の燃焼段３内での燃焼とを生ぜしめる渦流を発生する。自己着火をレリーズするに足る燃料量１４ｄの供給のために半径方向に配置された燃料ノズル２０の下流では、前方の燃焼区域２５に対比して後方の燃焼室２３の横断面の増大が横断面ジャンプ２１により行われている。横断面ジャンプの平面内には逆流区域が形成されており、この逆流区域はこの領域内の火炎フロントを安定せしめて上流へのバックファイヤを排除する。これにより、この逆流区域は物体を有しない保炎器を形成する。
【００１８】
図３は、燃焼室を形成している種々の装置において温度の履歴ｙに依存する負荷増大の履歴ｘを示す。特性曲線２６は始動バーナ１の始動以後の温度の履歴を示す。負荷ゼロでは始動バーナ１のための燃焼空気温度はほぼ３００℃である。始動バーナ１の使用により、この燃焼の結果により生じる温度は、ほぼ負荷２０％に相応するところでほぼ９５０℃まで上昇する。次いで２０％負荷以後、始動バーナ１を遮断することができる。それというのは、この点以後は触媒段２が水素発生器８から到来するＨ2 量により促進されて自主的に燃焼空気を９５０℃まで加熱するからである。図３から判るように、図１で説明した水素成分の形成が触媒段２の燃焼技術的な運転を促進しているが、しかし触媒段２の運転は著しくＣＨ4 により維持される。この触媒段２の出口の温度は特性曲線２７の履歴で示されているように、ほぼ９５０℃の前述の温度レベルに保たれている。次ぎの第２の燃焼段３は特性曲線２８の履歴から判るように負荷の増大に伴い熱ガス温度を定格温度へ上昇せしめる。負荷９５％以後は最終の温度アングライヒが上向きに生じ、その際、負荷９５％で圧縮機出口温度は、全負荷時に水素発生器８の補助を省くことがてきる程度に十分高くなっている。さらに図面から判るように、３つの燃焼段の間に有害物質放出の削減とプラントの効率の最大化を図るような相互依存が成立している。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの燃焼段と、その間の触媒段とを備えたガスタービンの回路を示す図である。
【図２】図１の回路の構成部分としての燃焼室を示す図である。
【図３】燃焼室の運転時における負荷の履歴に依存した温度の履歴を示す図である。
【符号の説明】
１ 始動バーナ、 ２ 触媒段、 ３ 第２の燃焼段、 ４ 圧縮機、 ５ 補助圧縮機、 ６ 熱反応装置、 ７ 混合気、 ８ 発生器（水素発生器）、９ 熱交換器、 １０ 混合室、 １１ スワール発生器、 １２ タービン、 １３ 圧縮空気、 １３ａ 圧縮空気の一部、 １３ｂ 混合気、 １４ セントラル燃料供給部、 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 燃料量、 １５ 熱ガス、 １６ 分溜された燃焼空気、 １６ａ 予熱された分溜燃焼空気、 １６ｂ 混合気、 １７ 熱源、 １８ 水、 １９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ 調整機構、 ２０ 半径方向の燃料ノズル、 ２１ 横断面ジャンプ、 ２２ 空気噴入開口、 ２３ 燃焼室、 ２４ セントラル燃料供給ノズル管、 ２５ 始動バーナの燃焼区域、 ２６ 始動バーナの温度の履歴を示す特性曲線、 ２７ 触媒段の出口温度の履歴を示す特性曲線、 ２８ 第２の燃焼段内での温度の履歴を示す特性曲線、 ｘ プラントの負荷の履歴、ｙ プラントの温度の履歴

Claims (1)

1. 主として少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼ユニットと、少なくとも１つのタービンとから構成され、かつ燃焼ユニットが燃焼室と、これの上流に接続されていて燃焼空気の少なくとも一部を整えるための調整段とから成る形式のパワーステーションプラントの運転法であって、圧縮空気（１３）の一部の空気（１３ａ）を、調整段を通して通流せしめて適当量の燃料（１４ａ）と混合して燃料空気混合物を形成し、かつ水素発生器（８）内で前記燃料空気混合物から種々のガス成分を改質により生成せしめ、次いで燃焼室内へ流入せしめると共に、残りの圧縮空気（１３）を同様に燃焼室内へ通流せしめる形式のものにおいて、
   燃焼室を上流側から混合室（１０）、第１の燃焼段としての触媒段（２）、始動バーナ（１）及び第２の燃焼段の順に配置し、水素発生器（８）から到来する生成された混合ガス（１６ａ）を、残りの圧縮空気（１３）と混合室（１０）内で混合し、形成された混合気の一部により、始動バーナ（１）を運転せしめ、かつ前記形成された混合気のその他の部分により、調整段から到来する生成された混合ガス（１６ａ）との協働により、始動バーナ（１）の上流で作動する触媒段（２）を運転せしめ、かつ、この触媒段（２）を介しかつ始動バーナ（１）を介して熱量的に調整された全燃焼空気を下流の第２の燃焼段（３）内へ通流せしめ、この第２の燃焼段内で熱ガスの発生のための別の燃焼を実施せしめることを特徴とするパワーステーションプラントの運転法。

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