JP4101627B2

JP4101627B2 - Gas turbine system

Info

Publication number: JP4101627B2
Application number: JP2002353863A
Authority: JP
Inventors: 学中川; 正樹中原; 正彦山田; 雅文福田; 武雄高橋; 東彦平田; 隆雄中垣
Original assignee: Toshiba Corp; Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2004183602A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンシステムに係り、特に排ガスの熱エネルギで燃料を改質し、燃料消費を低減する化学再生式のガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガスタービンのうち、大型ガスタービンは、ガスタービン排熱で蒸気を発生させ、その蒸気を蒸気タービンに供給して動力を回収する、いわゆるコンバインドサイクルに適用することが多くなっている。
【０００３】
他方、中小型ガスタービンは、シンプルサイクルと称して膨張仕事後のガスタービン排熱を大気に放出しているため、熱効率が低いものの、電力需要が高いときの非常用として適用することが多くなっている。
【０００４】
また、最近の中小型ガスタービンは膨張仕事後のガスタービンに排熱を利用して蒸気を発生させ、発生した蒸気をガスタービンに回収させる、チェンサイクルが開発され、熱効率も高くなってきている。
【０００５】
また、最近の中小型ガスタービンでは、燃料に蒸気を加えて水素リッチな燃料に改質し、改質した水素リッチな燃料をガスタービン燃料として利用する、いわゆる化学再生式のものが提案されている。
【０００６】
この化学再生式のガスタービンは、チェンサイクルを採用するガスタービンに較べて動力回収率が高い点で注目されており、その構成として図２に示すものがある。
【０００７】
この化学再生式の、例えば発電プラントは、大別してガスタービンプラント１、排熱回収部２、燃料供給部３等を備える構成になっている。
【０００８】
ガスタービンプラント１は、空気圧縮機４、ガスタービン燃焼器５、ガスタービン６、発電機７を備え、空気圧縮機４で吸い込んだ空気（大気）Ａを圧縮して高圧化し、その高圧空気に燃料供給部３および排熱回収部２のそれぞれから供給される燃料を加えてガスタービン燃焼器５に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、ガスタービン６で生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせ、その際に発生する動力（回転トルク）で発電機７を駆動する。
【０００９】
また、排熱回収部２は、筒状のダクト（煙道）８に改質器９および蒸気発生器１０を収容し、改質器９でガスタービン６からの排熱（排ガス）を熱源とし、燃料供給部３および蒸気発生器１０のそれぞれから供給される燃料および蒸気を混合させ、その混合気を熱交換させ、その際に改質される水素リッチな燃料をガスタービン燃焼器５に供給する。
【００１０】
また、燃料供給部３は、燃料圧縮機１１、モータ１２を備え、モータ１２の駆動力で燃料圧縮機１１を駆動し、原燃料Ｆを圧縮して高圧にし、その高圧燃料に蒸気発生器１０からの蒸気を加えて混合させ、その混合気を改質器９に供給する。
【００１１】
なお、燃料供給部３は、起動時等、排熱回収部２の改質器９が熱源の確保ができないとき、原燃料Ｆを燃料圧縮機１１で圧縮後、燃料系１３の燃料弁１４を介して流量コントロールし、ガスタービン燃焼器５に供給する。
【００１２】
また、排熱回収部２は、改質器９で熱源として利用したガスタービン６からの排熱を、再び蒸気発生器１０の熱源として利用している。
【００１３】
この蒸気発生器１０は、例えば純水装置（図示せず）から純水ポンプ１５を介して昇圧された純水Ｗをガスタービン６からの排熱を熱源として蒸気発生器１０で熱交換させ、熱交換後に発生する蒸気の一部を蒸気調節弁１６を介して燃料供給部３からの燃料に混合させる一方、残りの蒸気を他の機器（図示せず）に供給している。なお、符号１７は、煙突である。
【００１４】
このように、化学再生式の中小型ガスタービンは、ガスタービンから回収した排熱で原燃料を水素リッチな燃料に改質し、発熱量の高いガスタービン燃料として使用するので、プラント熱効率を高くすることができた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
化学再生式の中小型ガスタービンは、回収した排熱で水素リッチな燃料を生成し、発熱量の高い燃料として使用され、熱効率を高くできる点で優れているものの、以下のことが問題点として残されていた。
【００１６】
化学再生式の中小型ガスタービンは、排熱回収部２の改質器９に供給される混合燃料に水滴等の湿分が含まれていると、改質器９の触媒層で燃料改質させる際、蒸気量が変動し、安定した発熱量を維持した改質ガスが得られにくい問題点があった。
【００１７】
また、改質器９には、燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６のそれぞれを介して燃料および蒸気のそれぞれが供給されるが、改質器９と燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６との容積を較べた場合、改質器９の容積が著しく大きくなっている。
【００１８】
このため、ガスタービンを緊急停止させるとき、燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６が閉じても下流側の改質器９の容積内の残圧を外部に排出する際、長時間を要し、直ぐさま停止できない等の問題があった。
【００１９】
さらに、この種のガスタービンは、コジェネレーションに用いられることが多いが、状況により、電気出力割合と熱供給の需要の割合が変動する。このため、発生する蒸気をできる限りガスタービン燃焼器側に供給し、電気出力を最大限に確保することも可能であるが、蒸気と原燃料との混合割合が８を超えると、燃焼性が悪くなることを実験で確認しており、この点が問題として残されている。
【００２０】
また、ガスタービンからの排熱がダクト内を流れ、改質ガスと熱交換しているが、改質器にリークがあると、ダクト内での着火や最悪の場合、爆発の危険性がある。
【００２１】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、安定した運転と信頼性の高い運用のできるガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項１に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器を複数段に区画する多段用改質器に形成するとともに、複数段に区画する多段用改質器の各段毎に、前記蒸気発生器からの蒸気を熱源として前記多段改質器に収容する改質触媒を加熱させる多段改質器用熱交換器を備える一方、多段改質器用熱交換器に対応して、前記改質触媒を加熱させた後の蒸気を前記ガスタービンから排出される排ガスで再び加熱させる蒸気回収加熱用熱交換器を備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項２に記載したように、多段用改質器は、器内に収容する改質触媒を蒸気発生器からの蒸気と多段改質器用熱交換器で熱交換させて加熱させ、熱交換後温度の低くなった前記蒸気をガスタービンからの排ガスと蒸気回収加熱用熱交換器で再び加熱させた後、原燃料に混合して前記改質触媒を通過させるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンシステムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係るガスタービンシステムの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００３３】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、ガスタービンプラント２０、排熱回収部２１、燃料供給部２２等を備える構成になっている。
【００３４】
ガスタービンプラント２０は、空気圧縮機２３、ガスタービン燃焼器２４、ガスタービン２５、発電機２６を備え、空気圧縮機２３で吸い込んだ空気（大気）Ａを圧縮して高圧化し、その高圧空気を燃料供給部２２または排熱回収部２１からの燃料とともにガスタービン燃焼器２４に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、ガスタービン２５で生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機２６を駆動する。
【００３５】
また、排熱回収部２１は、筒状のダクト（煙道）２７内に改質器２８、過熱器２９、器外の気液分離器３０に接続する蒸気発生器３１はを収容するとともに、改質器２８に遮断弁３２を介装した改質燃料系３３を介してガスタービン燃焼器２４に接続する構成になっている。なお、排熱回収部２１の出口側には、改質器２８、蒸気発生器３１等で熱交換後の排熱を大気に排出させる煙突４５が設けられている。
【００３６】
一方、燃料供給部２２は、例えばＬＮＧ、都市ガス等の原燃料Ｆを圧縮する燃料圧縮機３４と、例えばモータ等の駆動機３５とを備え、駆動機３５で燃料圧縮機３４を駆動し、原燃料Ｆを高圧化する構成になっている。
【００３７】
また、燃料供給部２２は、燃料圧縮機３４で高圧化した原燃料Ｆを燃料弁３６を介装してガスタービン燃焼器２４に供給する第１原燃料系３７と、燃料調節弁３８を介装して排熱回収部２１の改質器２８に供給する第２原燃料系３９とを備えている。
【００３８】
他方、排熱回収部２１に収容する過熱器２９は、蒸気調節弁４０を介装し、混合部４１で蒸気と第２原燃料系３９の燃料調節弁３８からの原燃料Ｆとを混合させる第１蒸気系４２と、残りの蒸気を蒸気弁４３を介装して他の機器（図示せず）に供給する第２蒸気系４４とを備えている。
【００３９】
次に、本実施形態に係るガスタービンシステムの作用を説明する。
【００４０】
起動時、排熱回収部２１の熱源が確保されていないので、ガスタービンシステムは、駆動機３５を駆動して燃料圧縮機３４を回転させ、原燃料Ｆを圧縮して高圧化させ、高圧原燃料Ｆを第１原燃料系３７の燃料弁３６を介してガスタービン燃焼器２４に供給し、ここで、空気圧縮機２３からの高圧空気の酸化剤を利用して燃焼ガスを生成させる。
【００４１】
生成された燃焼ガスは、ガスタービン２５で膨張仕事をした後、排熱（排ガス）として排熱回収部２１に回収される。
【００４２】
排熱回収部２１に供給されたガスタービン２５からの排熱は、改質器２８、過熱器２９、蒸気発生器３１を加熱した後、煙突４５を介して大気に排出される。
【００４３】
排熱温度が高温化し、発電機２６からの負荷（出力）が増加してくると、ガスタービンシステムは、第１原燃料系３７の燃料弁３６を閉じ、第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を開口させて混合部４１に高圧の原燃料Ｆを供給する。
【００４４】
他方、起動前から蒸気発生器３１に純水Ｗを純水ポンプ４６を介して供給していた排熱回収部２１は、ガスタービン２５からの排熱が高温化するにつれ、純水Ｗと熱交換して蒸気を発生させ、気液分離器３０で発生した蒸気のうち、気体部分と液体部分とに分離し、液体部分を再循環させるとともに、気体部分を過熱器２９で加熱して温度５００℃以上の過熱蒸気にした後、第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して混合部４１に供給し、残りの過熱蒸気を第２蒸気系４４の蒸気弁４３を介して他の機器に供給する。
【００４５】
混合部４１で原燃料Ｆと温度５００℃以上の過熱蒸気とが混合した混合気は、改質器２８に供給され、ここで触媒層の触媒力の下、水素リッチな燃料に改質される。水素リッチに改質された燃料は、改質燃料系３３の遮断弁３２を介して、空気圧縮機２３からの高圧空気とともに、ガスタービン燃焼器２４に供給され、燃焼ガスが生成される。
【００４６】
ガスタービン燃焼器２４で生成された燃焼ガスは、ガスタービン２５で膨張仕事をした後、熱源として排熱回収部２１に供給され、定格運転に至らしめる。
【００４７】
このように、本実施形態は、排熱回収部２１の蒸気発生器２１に気液分離器３０を設け、蒸気発生器２１で発生した蒸気のうち、液体部分を分離し、気体部分を過熱器２９、混合部４１を介して高圧の原燃料Ｆとともに、改質器２９に供給し、触媒層で蒸気と高圧の原燃料Ｆとの混合気に含まれる液体部分を排除し、液体部分による蒸発を防止したので、発熱量の安定した水素リッチな燃料に改質することができる。
【００４８】
その際、本実施形態は、気液分離器３０の出口側に過熱器２９を設け、この過熱器２９により蒸気に含まれる液体部分を排除し、気体部分のみにしているので、改質器２８の触媒層に供給する高圧の原燃料Ｆを気体部分として維持させることができ、蒸気と高圧の原燃料との適正配分の下、良質の水素リッチな燃料に改質することができる。
【００４９】
また、本実施形態は、排熱回収部２１の改質器２８をガスタービン燃焼器２４に接続させる改質燃料系３３に遮断弁３２を設け、緊急停止時、遮断弁３２を閉じて改質燃料の供給を断つので、ガスタービン２５の急速停止を実現することができる。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、蒸気に含まれる液体部分の確実な排除により原燃料Ｆを良質な水素リッチな燃料に改質することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、改質燃料系３３に遮断弁３２を設けることにより、緊急時の際、ガスタービン２５に急速停止を行わせることができる。
【００５２】
図３は、本発明に係るガスタービンシステムの第２実施形態を示す概略系統図である。
【００５３】
なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５４】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、燃料圧縮機３４から第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を介して混合部４１に供給する原燃料Ｆと過熱器２９から第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して混合部４１に供給する蒸気との混合比率が原燃料Ｆの１に対し、蒸気を８以内の質量流量の割合に維持する流量コントロールを燃料調節弁３８と蒸気調節弁４０とで行っているが、この場合、過熱器２９から出る蒸気が過剰になることを考慮したもので、過熱器２９の出口側から分岐し、蒸気調節弁は４６を介装してガスタービン燃焼器２４はに接続する第３蒸気系４７を設けたものである。なお、混合部４１は、原燃料Ｆの１に対し、蒸気を８倍以上にすると、燃焼の際、未燃部分が出ることを実験により確認したことに基づいている。
【００５５】
このように、本実施形態は過熱器２９の出口側から分岐し、蒸気調節弁４６を介装してガスタービン燃焼器２４に接続する第３蒸気系４７を設け、第３蒸気系４７により蒸気の持つエネルギをガスタービン燃焼器２４に回収させたので、比較的少ない改質燃料で燃焼ガスを高温化させて出力を増加させることができ、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００５６】
図４は、本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器２４の第１実施形態を示す一部切欠断面図である。
【００５７】
本実施形態に係るガスタービン燃焼器２４は、空気圧縮機２３に連通し、横長状のケーシング４８で包囲形成された燃焼部４９を備えている。
【００５８】
この燃焼部４９は、燃焼器ライナ５０で筒状に形成した燃焼室５１と、燃焼室５１の頭部側に設けた燃料ノズル５２と、燃焼室５１の下流側に設けられガスタービン（図示せず）に接続するトランジションピース５３とを備えている。
【００５９】
また、燃焼部４９は、燃焼室５１であって、燃料ノズル５２から噴出する改質燃料により燃焼反応が完了した領域に蒸気供給管５４を備えている。
【００６０】
このような構成部品を備えるガスタービン燃焼器２４において、燃料ノズル５２から燃焼室５１に噴出した改質燃料は、空気圧縮機２５から供給された高圧空気の酸化剤の下、燃焼ガスを生成する。生成した燃焼ガスはトランジションピース５３を介してガスタービンに供給され、ここで膨張仕事が行われる。
【００６１】
その際、蒸気供給管５４では、排熱回収部２１で発生した蒸気を燃焼室５１に供給する。
【００６２】
このように、本実施形態は、燃焼室５１の改質燃料の燃焼反応が完了した領域、具体的には燃焼室５１の下流側に蒸気供給管５４からの蒸気を噴出させるので、燃焼ガス中に未燃部分が残ることもなく、燃焼ガスを高温化させてエネルギの有効活用を図ることができる。
【００６３】
図５は、本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器２４の第２実施形態を示す概略部分断面図である。なお、図中、（ａ）はガスタービン燃焼器の一部切欠部分断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図である。
【００６４】
本実施形態に係るガスタービン燃焼器２４は、ケーシング５５の内径側に同心状に収容され、燃焼器ライナ５０で筒状に形成した燃焼室５１と、燃焼室５１の頭部側に形成する燃料供給部５６とを備えている。
【００６５】
燃料供給部５６は、燃焼室５１の頭部側の中央に設けた原燃料ノズル５７に連通し、原燃料通路５８を介して接続する原燃料口５９と、原燃料ノズル５７の外側に配置された改質燃料ノズル６０とスワラ６１とで構成されている。
【００６６】
改質燃料ノズル６０は、原燃料通路５８の外側に形成する改質燃料通路６２を介して改質燃料口６３に接続している。
【００６７】
また、スワラ６１は、改質燃料通路６２に設けた区画板６４を介して空気通路６５に連通し、空気圧縮機から空気通路６５を介して供給される高圧空気に旋回流を与えて原燃料ノズル５７からの原燃料または改質燃料ノズル６０からの改質燃料を撹拌し、拡散燃焼させるようになっている。
【００６８】
なお、改質燃料ノズル６０とスワラ６１とは、図５（ｂ）に示すように、原燃料ノズル５７に対し、放射状に、かつ互いが交互に配置されている。
【００６９】
一般に、原燃料を改質する際、原燃料に対する蒸気の割合を変化させると、改質ガスの単位体積あたりの発熱量が変化する。このとき、蒸気の占める割合が高いほど、平衡点のずれにより、炭化水素が水素と一酸化炭素に分化し易くなり、化学的に取り込まれる熱量が増加し、排熱のエネルギの動力回収効率が高くなる。つまり、ガスタービン燃焼器にとっては、如何に低い発熱量の燃料まで燃焼させることができるかがサイクルの効率化、運用の幅広さを決める重要なポイントになっている。
【００７０】
発熱量の低い燃料は、高い燃料に較べて同じガスタービン燃焼器出口温度を達成するためには、より多くの燃料を必要とする。この多量の燃料が空気と良好に混じり合い、接触して酸化しなければ未燃物として大気に排出される。
【００７１】
したがって、低い発熱量の燃料の燃焼のためには、燃料と空気との接触を効果的、かつ良好に行うことが高い燃焼性を維持するキーポイントになっている。
【００７２】
本実施形態は、このような点を充分に考慮してなされたもので、改質燃料ノズル６０とスワラ６１とを交互に配置し、改質燃料ノズル６０から噴出する改質燃料がスワラ６１から出る燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に噴出するように構成したものである。
【００７３】
このように、本実施形態は、燃焼室５１の頭部側の中央に設けた原燃料ノズル５７に対し、放射状に、かつ互い違いに改質燃料ノズル６０とスワラ６１とを配置し、しかも改質燃料ノズル６０からの改質燃料を、スワラ６１からの燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に噴出させる構成にしたので、燃焼用空気と改質燃料とが効果的かつ良好に接触し、未燃部分のない安定した燃焼ガスを生成することができる。
【００７４】
実験によれば、本実施形態に係る燃料供給部５６の構造を採用することにより、原燃料を１に対し、蒸気の占める質量流量割合を８まで高めた発熱量の低い燃料であっても、安定した燃焼ガスを生成できることが確認された。
【００７５】
図６は、本発明に係るガスタービンシステムの第３実施形態を示す概略系統図である。
【００７６】
なお、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７７】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、排熱回収部２１のダクト２７内に熱交換器６６、過熱器２９、気液分離器３０を備えた蒸気発生器３１等を収容するとともに、器外に設置した改質器２８に遮断弁３２を介装した改質燃料系３３を介してガスタービン燃焼器２４に接続させたものである。なお、他の構成部品は、第１実施形態の構成部品と同一なので、重複説明を省略する。
【００７８】
本実施形態は、ダクト２７内に収容した過熱器２９から発生した過熱蒸気のうち、一部を第２蒸気系４４の蒸気弁４３を介して他の機器に供給し、残りを第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して熱交換器６６に供給し、ここで、温度５００℃以上に過熱した後、混合部４１に供給する。
【００７９】
一方、燃料圧縮機３４で圧縮された高圧の原燃料Ｆは、起動時、第１原燃料系３７の燃料弁３６を介してガスタービン燃焼器２４に供給され、発電機２６の負荷（出力）が上昇すると、第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を介して混合部４１に供給される。
【００８０】
混合部４１は、原燃料Ｆと蒸気とを混合させ、その混合気を改質器２８に供給し、ここで改質触媒（図示せず）の触媒能力の下、水素リッチな燃料に改質させる。水素リッチに改質した燃料は、改質燃料系３２の遮断弁３２を介してガスタービン燃焼器２４に供給される。
【００８１】
このように、本実施形態は、改質器２８を排熱回収部２１のダクト２７の器外に設置したので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、長期間に亘って安全かつ安定運転を維持させることができる。なお、改質器２８をダクト２７の器外に設置した場合、改質器２８の改質触媒（図示せず）の触媒能力を検討しなければならないが、改質器２８の必要な温度が４００℃であり、熱交換器６５を通過する原燃料Ｆの温度が５００℃以上であるから改質触媒の触媒能力を充分に発揮させることができる。
【００８２】
図７は、本発明に係るガスタービンシステムの第４実施形態を示す概略系統図である。
【００８３】
なお、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００８４】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、第３実施形態と同様に、改質器２８を上流側から下流側に向って第１段改質器２８ａ、第２段改質器２８ｂ、第３段改質器２８ｃ，…と複数段に区画形成する一方、複数段に区画形成した各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…毎に第１段改質器用熱交換器６７ａ、第２段改質器用熱交換器６７ｂ、第３段改質器用熱交換器６７ｃ，…と多段改質器用熱交換器６７を設け、各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…に収容する改質触媒（図示せず）を過熱器２９からの蒸気で熱交換して加熱させたものである。
【００８５】
また、本実施形態に係るガスタービンシステムは、排熱回収部２１のダクト２７内に、上述の第１段改質器用熱交換器６７ａ、第２段改質器用熱交換器６７ｂ、第３段改質器用熱交換器６７ｃ，…に対応させて第１段蒸気回収加熱用熱交換器６８ａ、第２段蒸気回収加熱用熱交換器６８ｂ、第３段蒸気回収加熱用熱交換器６８ｃ，…の多段蒸気回収加熱用熱交換器６８を設け、上述各段改質器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，…で熱交換して加熱させ、加熱後、熱を失って温度の下った蒸気を再び多段蒸気回収加熱用熱交換器６８でガスタービン２５からの排ガスを熱源として熱交換して加熱させ、その加熱した蒸気を原燃料に混合させて改質触媒して供給することにより、ガスタービン２５から出る排ガス（排熱）のエネルギの有効活用を図ったものである。
【００８６】
このように、本実施形態は、第３実施形態と同様に、改質器２８を排熱回収部２１のダクト２７の器外に設置したので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、長期間に亘って安全かつ安定運転を維持することができる。
【００８７】
また、本実施形態は、改質器２８を多段用の改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…に区画形成し、区画形成した各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…毎に改質器用熱交換器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，…を設けるとともに、複数段の改質器用熱交換器６７に対応させて排熱回収部２１のダクト２７内に複数段の蒸気回収加熱用熱交換器６８を設け、混合部４１で混合させた原燃料Ｆと蒸気加熱用熱交換器６８、からの蒸気との混合気を改質触媒層の下、加熱させるので、良質で、かつ安定した水素リッチな燃料に改質することができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るガスタービンシステムは、ガスタービンからの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収部に、発生した蒸気のうち、気体部分と液体部分とを分離する手段と、分離した気体部分を過熱する手段とを設けるとともに、排熱回収部に収容した改質器からガスタービン燃焼器に水素リッチな改質燃料を供給する系統に緊急時に対処して遮断する手段を設けたので、良質で、安定した水素リッチな燃料に改質することができ、緊急時により一層早くガスタービンを停止させることができる。
【００８９】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、排熱回収部から発生した蒸気が過剰な場合、その過剰蒸気をガスタービン燃焼器に回収させる手段を備えたので、比較的少ない改質燃料で燃焼ガスを高温化させて出力の増加を図ることができ、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００９０】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、排熱回収部の部外に改質器を設置するとともに、改質器を複数段に区画形成し、区画形成した改質器の複数段毎に改質器用熱交換器を設け、熱交換後、各改質器用熱交換器の蒸気を回収し、回収した蒸気を再び加熱して改質器用熱交換器に戻す蒸気回収加熱用熱交換器を各改質器用熱交換器に対応させ設けたので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、安全かつ安定な運転を維持することができ、また、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００９１】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、ガスタービン燃焼器の燃料供給部の中央に設けた原燃料ノズルから放射状に、かつ互いを交互に配置する改質燃料ノズルとスワラとを備え、スワラからの燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に改質燃料ノズルからの改質燃料を噴出させるので、改質燃料と燃焼用空気とを良好に接触させることができ、安定した燃焼ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンシステムの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】従来のガスタービンシステムを示す概略系統図。
【図３】本発明に係るガスタービンシステムの第２実施形態を示す概略系統図。
【図４】本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器の第１実施形態を示す一部切欠断面図。
【図５】本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器の第２実施形態を示す概略部分断面図で、（ａ）はガスタービン燃焼器の一部切欠部分断面図、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ矢視方向から見た正面図。
【図６】本発明に係るガスタービンシステムの第３実施形態を示す概略系統図。
【図７】本発明に係るガスタービンシステムの第４実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１ガスタービンプラント
２排熱回収部
３燃料供給部
４空気圧縮機
５ガスタービン燃焼器
６ガスタービン
７発電機
８ダクト
９改質器
１０蒸気発生器
１１燃料圧縮機
１２モータ
１３燃料系
１４燃料弁
１５純水ポンプ
１６蒸気調節弁
１７煙突
１８燃料調節弁
２０ガスタービンプラント
２１排熱回収部
２２燃料供給部
２３空気圧縮機
２４ガスタービン燃焼器
２５ガスタービン
２６発電機
２７ダクト
２８改質器
２８ａ第１段改質器
２８ｂ第２段改質器
２８ｃ第３段改質器
２９過熱器
３０気液分離器
３１蒸気発生器
３２遮断弁
３３改質燃料系
３４燃料圧縮機
３５駆動機
３６燃料弁
３７第１原燃料系
３８燃料調節弁
３９第２原燃料系
４０蒸気調節弁
４１混合部
４２第１蒸気系
４３蒸気弁
４４第２蒸気系
４５煙突
４６蒸気調節弁
４７第３蒸気系
４８ケーシング
４９燃焼部
５０燃焼器ライナ
５１燃焼室
５２燃料ノズル
５３トランジションピース
５４蒸気供給管
５５ケーシング
５６燃料供給部
５７原燃料ノズル
５８原燃料通路
５９原燃料口
６０改質燃料ノズル
６１スワラ
６２改質燃料通路
６３改質燃料口
６４区画板
６５空気通路
６７多段改質器用熱交換器
６７ａ第１改質器用熱交換器
６７ｂ第２改質器用熱交換器
６７ｃ第３改質器用熱交換器
６８蒸気回収加熱用熱交換器
６８ａ第１段蒸気回収加熱用熱交換器
６８ｂ第２段蒸気回収加熱用熱交換器
６８ｂ第３段蒸気回収加熱用熱交換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine system, and more particularly, to a chemical regeneration type gas turbine system that reforms fuel with thermal energy of exhaust gas to reduce fuel consumption.
[0002]
[Prior art]
Among recent gas turbines, large gas turbines are often applied to so-called combined cycles in which steam is generated by gas turbine exhaust heat and the steam is supplied to the steam turbine to recover power.
[0003]
On the other hand, small and medium-sized gas turbines, which are called simple cycles, discharge gas turbine exhaust heat after expansion work to the atmosphere, so they are often applied as emergency when power demand is high, although their thermal efficiency is low. ing.
[0004]
In addition, recent small and medium-sized gas turbines have developed a chain cycle that uses exhaust heat to generate steam in the gas turbine after expansion work, and recovers the generated steam to the gas turbine. .
[0005]
Also, in recent small and medium-sized gas turbines, a so-called chemical regeneration type has been proposed in which steam is added to fuel to reform it into a hydrogen-rich fuel, and the reformed hydrogen-rich fuel is used as a gas turbine fuel. Yes.
[0006]
This chemical regeneration type gas turbine is attracting attention because it has a higher power recovery rate than a gas turbine employing a chain cycle, and there is a configuration shown in FIG.
[0007]
This chemical regeneration type power plant, for example, is roughly configured to include a gas turbine plant 1, an exhaust heat recovery unit 2, a fuel supply unit 3, and the like.
[0008]
The gas turbine plant 1 includes an air compressor 4, a gas turbine combustor 5, a gas turbine 6, and a generator 7. The air (atmosphere) A sucked by the air compressor 4 is compressed to a high pressure, and the high pressure air is compressed. Fuel supplied from each of the fuel supply unit 3 and the exhaust heat recovery unit 2 is added and supplied to the gas turbine combustor 5, where combustion gas is generated, and the combustion gas generated by the gas turbine 6 is caused to perform expansion work. The generator 7 is driven by the power (rotational torque) generated at that time.
[0009]
The exhaust heat recovery unit 2 houses a reformer 9 and a steam generator 10 in a cylindrical duct (flue) 8, and the reformer 9 uses exhaust heat (exhaust gas) from the gas turbine 6 as a heat source. The fuel and steam supplied from each of the fuel supply unit 3 and the steam generator 10 are mixed, the mixture is heat-exchanged, and the hydrogen-rich fuel reformed at that time is supplied to the gas turbine combustor 5 To do.
[0010]
The fuel supply unit 3 includes a fuel compressor 11 and a motor 12. The fuel compressor 11 is driven by the driving force of the motor 12 to compress the raw fuel F to a high pressure, and the steam generator 10 is supplied to the high pressure fuel. The steam from is added and mixed, and the mixture is supplied to the reformer 9.
[0011]
When the reformer 9 of the exhaust heat recovery unit 2 cannot secure a heat source, such as when starting up, the fuel supply unit 3 compresses the raw fuel F with the fuel compressor 11 and then turns on the fuel valve 14 of the fuel system 13. The flow rate is controlled via the gas turbine and supplied to the gas turbine combustor 5.
[0012]
In addition, the exhaust heat recovery unit 2 uses the exhaust heat from the gas turbine 6 used as a heat source in the reformer 9 again as a heat source for the steam generator 10.
[0013]
For example, the steam generator 10 causes the steam generator 10 to exchange heat with pure water W whose pressure has been increased via a pure water pump 15 from a pure water device (not shown), using exhaust heat from the gas turbine 6 as a heat source, A part of the steam generated after the heat exchange is mixed with the fuel from the fuel supply unit 3 via the steam control valve 16, while the remaining steam is supplied to other equipment (not shown). Reference numeral 17 denotes a chimney.
[0014]
As described above, the chemical regeneration type small and medium-sized gas turbine uses the exhaust heat recovered from the gas turbine to reform the raw fuel into a hydrogen-rich fuel and uses it as a gas turbine fuel with a high calorific value. We were able to.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Chemically recyclable small and medium-sized gas turbines generate hydrogen-rich fuel with the recovered exhaust heat and are used as fuels with high calorific value. It was left.
[0016]
The chemical regeneration type small and medium-sized gas turbine uses the catalyst layer of the reformer 9 to reform the fuel when the mixed fuel supplied to the reformer 9 of the exhaust heat recovery unit 2 contains moisture such as water droplets. However, the amount of steam fluctuates, and it is difficult to obtain a reformed gas that maintains a stable calorific value.
[0017]
The reformer 9 is supplied with fuel and steam through the fuel control valve 18 and the steam control valve 16, respectively. The reformer 9, fuel control valve 18 and steam control valve 16 are connected to each other. When the volumes are compared, the volume of the reformer 9 is significantly increased.
[0018]
For this reason, when the gas turbine is stopped urgently, it takes a long time to discharge the residual pressure in the volume of the reformer 9 on the downstream side to the outside even if the fuel control valve 18 and the steam control valve 16 are closed. There were problems such as being unable to stop immediately.
[0019]
Further, this type of gas turbine is often used for cogeneration, but the ratio of the electric output and the demand for heat supply varies depending on the situation. For this reason, it is possible to supply the generated steam to the gas turbine combustor as much as possible to ensure the maximum electrical output. However, if the mixing ratio of steam and raw fuel exceeds 8, the combustibility is improved. It has been confirmed through experiments that this will become worse, and this point remains a problem.
[0020]
Exhaust heat from the gas turbine flows through the duct and exchanges heat with the reformed gas. If there is a leak in the reformer, there is a risk of ignition in the duct or, in the worst case, an explosion. .
[0021]
The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object thereof is to provide a gas turbine system capable of stable operation and highly reliable operation.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The present inventionIn order to achieve the above-described object, the gas turbine system according toClaim 1, A compressor that compresses a fluid containing combustion oxygen, a gas turbine combustor that burns fuel with the compressed fluid, a gas turbine that expands combustion gas to obtain power, and a gas turbine A reformer that chemically reforms at least a portion of the raw fuel using at least a portion of the exhaust gas discharged from the heat source, a steam generator that supplies steam to the reformer, and a portion of the raw fuel In a gas turbine system including a system that directly supplies gas turbine combustors, each reformer is formed into a multistage reformer that is partitioned into a plurality of stages, and each of the multistage reformers that are partitioned into a plurality of stages. Each stage includes a heat exchanger for a multi-stage reformer that heats the reforming catalyst accommodated in the multi-stage reformer using steam from the steam generator as a heat source, while corresponding to the heat exchanger for the multi-stage reformer. , Heating the reforming catalyst The steam after those having a vapor recovery heating heat exchanger for heating again the exhaust gas discharged from the gas turbine.
[0030]
Further, the gas turbine system according to the present invention achieves the above-described object,Claim 2As described above, in the multistage reformer, the reforming catalyst accommodated in the reactor is heated by exchanging heat from the steam from the steam generator with the heat exchanger for the multistage reformer, and the temperature after the heat exchange is lowered. The steam is heated again with the exhaust gas from the gas turbine and the heat exchanger for steam recovery and heating, and then mixed with the raw fuel to pass through the reforming catalyst.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a gas turbine system according to the present invention will be described with reference to the drawings and reference numerals attached to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing a first embodiment of a gas turbine system according to the present invention.
[0033]
The gas turbine system according to the present embodiment includes a gas turbine plant 20, an exhaust heat recovery unit 21, a fuel supply unit 22, and the like.
[0034]
The gas turbine plant 20 includes an air compressor 23, a gas turbine combustor 24, a gas turbine 25, and a generator 26. The gas turbine plant 20 compresses air (atmosphere) A sucked by the air compressor 23 to increase the pressure, and the high-pressure air is compressed. The fuel is supplied to the gas turbine combustor 24 together with the fuel from the fuel supply unit 22 or the exhaust heat recovery unit 21 to generate combustion gas, and the combustion gas generated by the gas turbine 25 is caused to perform expansion work, which is generated at that time. The generator 26 is driven by power.
[0035]
The exhaust heat recovery unit 21 houses a reformer 28, a superheater 29, and a steam generator 31 connected to an external gas-liquid separator 30 in a cylindrical duct (flue) 27, The reformer 28 is connected to the gas turbine combustor 24 via a reformed fuel system 33 having a shutoff valve 32 interposed. A chimney 45 is provided on the outlet side of the exhaust heat recovery unit 21 to exhaust the exhaust heat after heat exchange to the atmosphere by the reformer 28, the steam generator 31, and the like.
[0036]
On the other hand, the fuel supply unit 22 includes, for example, a fuel compressor 34 that compresses raw fuel F such as LNG and city gas, and a drive unit 35 such as a motor, and the drive unit 35 drives the fuel compressor 34. The raw fuel F is configured to have a high pressure.
[0037]
Further, the fuel supply unit 22 includes a first raw fuel system 37 that supplies the raw fuel F that has been pressurized by the fuel compressor 34 to the gas turbine combustor 24 via the fuel valve 36, and a fuel control valve 38. And a second raw fuel system 39 that is supplied to the reformer 28 of the exhaust heat recovery unit 21.
[0038]
On the other hand, the superheater 29 accommodated in the exhaust heat recovery unit 21 includes a steam control valve 40, and mixes the steam and the raw fuel F from the fuel control valve 38 of the second raw fuel system 39 in the mixing unit 41. A first steam system 42 and a second steam system 44 that supplies the remaining steam to another device (not shown) through a steam valve 43 are provided.
[0039]
Next, the operation of the gas turbine system according to the present embodiment will be described.
[0040]
At the time of startup, since the heat source of the exhaust heat recovery unit 21 is not secured, the gas turbine system rotates the fuel compressor 34 by driving the drive 35, compresses the raw fuel F to increase the pressure, The fuel F is supplied to the gas turbine combustor 24 through the fuel valve 36 of the first raw fuel system 37, and combustion gas is generated using the oxidant of high-pressure air from the air compressor 23.
[0041]
The generated combustion gas is expanded by the gas turbine 25 and then recovered as exhaust heat (exhaust gas) in the exhaust heat recovery unit 21.
[0042]
The exhaust heat from the gas turbine 25 supplied to the exhaust heat recovery unit 21 is heated to the reformer 28, the superheater 29, and the steam generator 31, and then exhausted to the atmosphere through the chimney 45.
[0043]
When the exhaust heat temperature rises and the load (output) from the generator 26 increases, the gas turbine system closes the fuel valve 36 of the first raw fuel system 37 and adjusts the fuel of the second raw fuel system 39. The valve 38 is opened to supply the high-pressure raw fuel F to the mixing unit 41.
[0044]
On the other hand, the exhaust heat recovery unit 21 that has supplied the pure water W to the steam generator 31 through the pure water pump 46 before the start-up, as the exhaust heat from the gas turbine 25 rises in temperature, Steam is generated by exchange, and the vapor generated in the gas-liquid separator 30 is separated into a gas portion and a liquid portion, the liquid portion is recirculated, and the gas portion is heated by the superheater 29 to a temperature of 500. After the superheated steam at a temperature equal to or higher than 0 ° C. is supplied to the mixing unit 41 via the steam control valve 40 of the first steam system 42, the remaining superheated steam is transferred to other equipment via the steam valve 43 of the second steam system 44. Supply.
[0045]
The air-fuel mixture in which the raw fuel F and superheated steam having a temperature of 500 ° C. or higher are mixed in the mixing unit 41 is supplied to the reformer 28 where it is reformed into a hydrogen-rich fuel under the catalytic force of the catalyst layer. . The hydrogen-rich reformed fuel is supplied to the gas turbine combustor 24 together with the high-pressure air from the air compressor 23 via the shutoff valve 32 of the reformed fuel system 33, and combustion gas is generated.
[0046]
The combustion gas generated in the gas turbine combustor 24 performs expansion work in the gas turbine 25, and then is supplied to the exhaust heat recovery unit 21 as a heat source to reach a rated operation.
[0047]
Thus, this embodiment provides the gas-liquid separator 30 in the steam generator 21 of the exhaust heat recovery part 21, separates the liquid part of the steam generated in the steam generator 21, and superheats the gas part. 29, is supplied to the reformer 29 together with the high-pressure raw fuel F via the mixing unit 41, and the liquid portion contained in the mixture of the vapor and the high-pressure raw fuel F is eliminated by the catalyst layer, and evaporation by the liquid portion Therefore, the fuel can be reformed into a hydrogen-rich fuel with a stable calorific value.
[0048]
At this time, in the present embodiment, the superheater 29 is provided on the outlet side of the gas-liquid separator 30 and the liquid portion contained in the vapor is eliminated by the superheater 29 to make only the gas portion. The high-pressure raw fuel F supplied to the catalyst layer can be maintained as a gas portion, and can be reformed to a high-quality hydrogen-rich fuel under proper distribution of steam and high-pressure raw fuel.
[0049]
In the present embodiment, a shutoff valve 32 is provided in the reformed fuel system 33 that connects the reformer 28 of the exhaust heat recovery unit 21 to the gas turbine combustor 24, and the shutoff valve 32 is closed and reformed at the time of emergency stop. Since the fuel supply is cut off, the gas turbine 25 can be rapidly stopped.
[0050]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reform the raw fuel F into a high-quality hydrogen-rich fuel by reliably removing the liquid portion contained in the vapor.
[0051]
Further, according to this embodiment, by providing the shut-off valve 32 in the reformed fuel system 33, the gas turbine 25 can be rapidly stopped in an emergency.
[0052]
FIG. 3 is a schematic system diagram showing a second embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
[0053]
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as the component of 1st Embodiment.
[0054]
In the gas turbine system according to the present embodiment, the raw fuel F supplied from the fuel compressor 34 to the mixing unit 41 via the fuel control valve 38 of the second raw fuel system 39 and the steam of the first steam system 42 from the superheater 29. The fuel control valve 38 and the steam control valve 40 have a flow rate control for maintaining the steam at a mass flow rate ratio of 8 or less with respect to the raw fuel F having a mixing ratio with the steam supplied to the mixing unit 41 via the control valve 40. However, in this case, it is considered that the steam coming out of the superheater 29 becomes excessive. The steam is branched from the outlet side of the superheater 29, and the steam control valve is provided with 46 to perform gas turbine combustion. The vessel 24 is provided with a third steam system 47 to be connected to. In addition, the mixing part 41 is based on having confirmed by experiment that an unburned part will come out at the time of combustion, if a vapor | steam is 8 times or more with respect to 1 of the raw fuel F.
[0055]
As described above, in the present embodiment, the third steam system 47 branched from the outlet side of the superheater 29 and connected to the gas turbine combustor 24 via the steam control valve 46 is provided. Is recovered in the gas turbine combustor 24, the combustion gas can be heated to a high temperature with a relatively small amount of reformed fuel, and the output can be increased, so that the energy can be effectively utilized.
[0056]
FIG. 4 is a partially cutaway sectional view showing a first embodiment of a gas turbine combustor 24 applied to a gas turbine system according to the present invention.
[0057]
The gas turbine combustor 24 according to the present embodiment includes a combustion section 49 that communicates with the air compressor 23 and is surrounded by a horizontally long casing 48.
[0058]
The combustion unit 49 includes a combustion chamber 51 formed in a cylindrical shape by the combustor liner 50, a fuel nozzle 52 provided on the head side of the combustion chamber 51, and a gas turbine (not shown) provided on the downstream side of the combustion chamber 51. A transition piece 53 to be connected.
[0059]
The combustion unit 49 includes a steam supply pipe 54 in a combustion chamber 51 in a region where the combustion reaction is completed by the reformed fuel ejected from the fuel nozzle 52.
[0060]
In the gas turbine combustor 24 having such components, the reformed fuel ejected from the fuel nozzle 52 to the combustion chamber 51 generates combustion gas under the oxidant of high-pressure air supplied from the air compressor 25. . The generated combustion gas is supplied to the gas turbine via the transition piece 53, where expansion work is performed.
[0061]
At that time, in the steam supply pipe 54, steam generated in the exhaust heat recovery unit 21 is supplied to the combustion chamber 51.
[0062]
Thus, in this embodiment, since the steam from the steam supply pipe 54 is ejected to the region where the combustion reaction of the reformed fuel in the combustion chamber 51 is completed, specifically, to the downstream side of the combustion chamber 51, In this way, an unburned portion does not remain, and the combustion gas can be raised in temperature to effectively use energy.
[0063]
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view showing a second embodiment of a gas turbine combustor 24 applied to the gas turbine system according to the present invention. In addition, in the figure, (a) is a partially cutaway partial cross-sectional view of the gas turbine combustor, and (b) is a front view seen from the direction of arrows AA in (a).
[0064]
The gas turbine combustor 24 according to the present embodiment is accommodated concentrically on the inner diameter side of a casing 55, and a combustion chamber 51 formed in a cylindrical shape by the combustor liner 50 and a fuel formed on the head side of the combustion chamber 51. And a supply unit 56.
[0065]
The fuel supply unit 56 communicates with a raw fuel nozzle 57 provided in the center on the head side of the combustion chamber 51, and is disposed outside the raw fuel nozzle 57 with a raw fuel port 59 connected via a raw fuel passage 58. The reformed fuel nozzle 60 and the swirler 61 are configured.
[0066]
The reformed fuel nozzle 60 is connected to the reformed fuel port 63 via a reformed fuel passage 62 formed outside the raw fuel passage 58.
[0067]
Further, the swirler 61 communicates with the air passage 65 via a partition plate 64 provided in the reformed fuel passage 62, and imparts a swirl flow to the high-pressure air supplied from the air compressor via the air passage 65 to provide raw fuel. The raw fuel from the nozzle 57 or the reformed fuel from the reformed fuel nozzle 60 is agitated and diffusely combusted.
[0068]
The reformed fuel nozzle 60 and the swirler 61 are arranged radially and alternately with respect to the raw fuel nozzle 57, as shown in FIG. 5B.
[0069]
Generally, when reforming the raw fuel, if the ratio of steam to the raw fuel is changed, the calorific value per unit volume of the reformed gas changes. At this time, the higher the proportion of steam, the more easily the hydrocarbons are differentiated into hydrogen and carbon monoxide due to the deviation of the equilibrium point, the amount of heat taken up chemically increases, and the power recovery efficiency of the exhaust heat energy increases. Get higher. In other words, for a gas turbine combustor, how much fuel with a low calorific value can be combusted is an important point that determines the efficiency of the cycle and the width of operation.
[0070]
Low calorific fuel requires more fuel to achieve the same gas turbine combustor outlet temperature than high fuel. If this large amount of fuel mixes well with air and does not oxidize upon contact, it is discharged into the atmosphere as unburned material.
[0071]
Therefore, in order to burn a fuel with a low calorific value, effective and good contact between the fuel and air is a key point for maintaining high combustibility.
[0072]
The present embodiment has been made in consideration of such points, and the reformed fuel nozzles 60 and swirlers 61 are alternately arranged, and the reformed fuel ejected from the reformed fuel nozzles 60 is swirled from the swirler 61. It is configured to eject in the same direction as the turning direction of the combustion air that comes out.
[0073]
Thus, in the present embodiment, the reformed fuel nozzles 60 and the swirlers 61 are arranged radially and alternately with respect to the raw fuel nozzle 57 provided in the center of the combustion chamber 51 on the head side, and the reforming is performed. Since the reformed fuel from the fuel nozzle 60 is jetted in the same direction as the swirling direction of the combustion air from the swirler 61, the combustion air and the reformed fuel are effectively and satisfactorily contacted and unburned. A stable combustion gas with no part can be generated.
[0074]
According to the experiment, by adopting the structure of the fuel supply unit 56 according to the present embodiment, even if the raw fuel is 1 and the fuel has a low calorific value, the mass flow rate occupied by the steam is increased to 8, It was confirmed that stable combustion gas can be generated.
[0075]
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a third embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
[0076]
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the component of 1st Embodiment.
[0077]
The gas turbine system according to the present embodiment accommodates a steam generator 31 provided with a heat exchanger 66, a superheater 29, and a gas-liquid separator 30 in a duct 27 of the exhaust heat recovery unit 21, and outside the apparatus. The installed reformer 28 is connected to the gas turbine combustor 24 through a reformed fuel system 33 having a shut-off valve 32 interposed. The other components are the same as the components of the first embodiment, and a duplicate description is omitted.
[0078]
In the present embodiment, a part of the superheated steam generated from the superheater 29 accommodated in the duct 27 is supplied to other devices via the steam valve 43 of the second steam system 44, and the rest is supplied to the first steam system. 42 is supplied to the heat exchanger 66 through the steam control valve 40, and is heated to a temperature of 500 ° C. or higher and then supplied to the mixing unit 41.
[0079]
On the other hand, the high-pressure raw fuel F compressed by the fuel compressor 34 is supplied to the gas turbine combustor 24 via the fuel valve 36 of the first raw fuel system 37 at the time of start-up, and the load (output) of the generator 26. Is raised, it is supplied to the mixing unit 41 via the fuel control valve 38 of the second raw fuel system 39.
[0080]
The mixing unit 41 mixes the raw fuel F and steam, and supplies the mixture to the reformer 28, where it is reformed into a hydrogen-rich fuel under the catalytic capacity of a reforming catalyst (not shown). Let The hydrogen-rich reformed fuel is supplied to the gas turbine combustor 24 through the shutoff valve 32 of the reformed fuel system 32.
[0081]
As described above, in the present embodiment, the reformer 28 is installed outside the duct 27 of the exhaust heat recovery unit 21, so that the tube is not exposed to high temperature exhaust heat and causes deterioration of the tube. Thus, safe and stable operation can be maintained. When the reformer 28 is installed outside the duct 27, the catalytic capacity of the reforming catalyst (not shown) of the reformer 28 must be examined, but the required temperature of the reformer 28 is Since it is 400 degreeC and the temperature of the raw fuel F which passes the heat exchanger 65 is 500 degreeC or more, the catalyst capability of a reforming catalyst can fully be exhibited.
[0082]
FIG. 7 is a schematic system diagram showing a fourth embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
[0083]
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the component of 1st Embodiment.
[0084]
As in the third embodiment, the gas turbine system according to the present embodiment moves the reformer 28 from the upstream side toward the downstream side, so that the first stage reformer 28a, the second stage reformer 28b, and the third stage. The reformer 28c,... Is divided into a plurality of stages, and the first-stage reformer heat exchanger 67a, the second-stage modification are provided for each of the plurality of stages of reformers 28a, 28b, 28c,. A reformer catalyst (b), a third-stage reformer heat exchanger 67c,... And a multi-stage reformer heat exchanger 67, which are accommodated in the respective stage reformers 28a, 28b, 28c,. (Not shown) is heat-exchanged with steam from the superheater 29 and heated.
[0085]
Further, in the gas turbine system according to the present embodiment, the first-stage reformer heat exchanger 67a, the second-stage reformer heat exchanger 67b, and the third-stage are disposed in the duct 27 of the exhaust heat recovery unit 21. Corresponding to the reformer heat exchangers 67c, ..., the first stage steam recovery heating heat exchanger 68a, the second stage steam recovery heating heat exchanger 68b, the third stage steam recovery heating heat exchanger 68c, ... Is provided with a heat exchanger 68 for heating and recovering the multistage steam, and heat is exchanged and heated by the above-described respective stage reformers 67a, 67b, 67c,... The recovered heating heat exchanger 68 exchanges heat using the exhaust gas from the gas turbine 25 as a heat source, heats it, mixes the heated steam with the raw fuel, supplies it as a reforming catalyst, and then exits the gas turbine 25. Effective use of exhaust gas (exhaust heat) energy Than is.
[0086]
As described above, in the present embodiment, since the reformer 28 is installed outside the duct 27 of the exhaust heat recovery unit 21 as in the third embodiment, the tube is deteriorated by being exposed to high-temperature exhaust heat. Without incurring, safe and stable operation can be maintained over a long period of time.
[0087]
Further, in the present embodiment, the reformer 28 is divided into multi-stage reformers 28a, 28b, 28c,..., And the reformer 28 is used for each reformer 28a, 28b, 28c,. Are provided with heat exchangers 67a, 67b, 67c,..., And a plurality of stages of steam recovery heating heat exchangers 68 in the duct 27 of the exhaust heat recovery unit 21 corresponding to the plurality of stages of reformer heat exchangers 67. Since the mixture of the raw fuel F mixed with the mixing unit 41 and the steam from the steam heating heat exchanger 68 is heated under the reforming catalyst layer, a high-quality and stable hydrogen-rich fuel Can be modified.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, the gas turbine system according to the present invention separates the gas portion and the liquid portion of the generated steam into the exhaust heat recovery section that recovers exhaust heat from the gas turbine and generates steam. And a means for overheating the separated gas portion, and shutting off the system for supplying hydrogen-rich reformed fuel to the gas turbine combustor from the reformer accommodated in the exhaust heat recovery section in an emergency. Since the means is provided, it can be reformed to a high-quality and stable hydrogen-rich fuel, and the gas turbine can be stopped earlier in an emergency.
[0089]
Further, the gas turbine system according to the present invention includes means for recovering the excess steam to the gas turbine combustor when the steam generated from the exhaust heat recovery unit is excessive. The temperature can be raised to increase the output, and the energy can be effectively utilized.
[0090]
In addition, the gas turbine system according to the present invention includes a reformer installed outside the exhaust heat recovery unit, and the reformer is partitioned into a plurality of stages, and the reformers are reformed for each of the plurality of stages of the reformers thus formed. A heat exchanger for the quality device is provided, and after the heat exchange, the steam of each heat exchanger for the reformer is recovered, and the recovered steam is heated again and returned to the heat exchanger for the reformer. Since it is provided to correspond to the heat exchanger for the reformer, it is possible to maintain safe and stable operation without being exposed to high temperature exhaust heat and causing deterioration of the tube, and to make effective use of energy. be able to.
[0091]
The gas turbine system according to the present invention includes a reformed fuel nozzle and a swirler that are arranged radially and alternately from a raw fuel nozzle provided in the center of a fuel supply unit of a gas turbine combustor. Because the reformed fuel is ejected from the reformed fuel nozzle in the same direction as the swirling direction of the combustion air, the reformed fuel and the combustion air can be brought into good contact with each other, and stable combustion gas can be generated. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing a first embodiment of a gas turbine system according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic system diagram showing a conventional gas turbine system.
FIG. 3 is a schematic system diagram showing a second embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
FIG. 4 is a partially cutaway sectional view showing a first embodiment of a gas turbine combustor applied to a gas turbine system according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic partial sectional view showing a second embodiment of a gas turbine combustor applied to a gas turbine system according to the present invention, wherein (a) is a partially cutaway partial sectional view of the gas turbine combustor, and (b). (A) The front view seen from the AA arrow direction.
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a third embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic system diagram showing a fourth embodiment of the gas turbine system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Gas turbine plant
2 Waste heat recovery unit
3 Fuel supply section
4 Air compressor
5 Gas turbine combustor
6 Gas turbine
7 Generator
8 Duct
9 Reformer
10 Steam generator
11 Fuel compressor
12 Motor
13 Fuel system
14 Fuel valve
15 Pure water pump
16 Steam control valve
17 Chimney
18 Fuel control valve
20 Gas turbine plant
21 Waste heat recovery unit
22 Fuel supply section
23 Air compressor
24 Gas turbine combustor
25 Gas turbine
26 Generator
27 Duct
28 Reformer
28a First stage reformer
28b Second stage reformer
28c Third stage reformer
29 Superheater
30 Gas-liquid separator
31 Steam generator
32 Shut-off valve
33 Reformed fuel system
34 Fuel compressor
35 Drive machine
36 Fuel valve
37 First raw fuel system
38 Fuel control valve
39 Second raw fuel system
40 Steam control valve
41 Mixing unit
42 First steam system
43 Steam valve
44 Second steam system
45 Chimney
46 Steam control valve
47 3rd steam system
48 casing
49 Combustion section
50 Combustor liner
51 Combustion chamber
52 Fuel nozzle
53 Transition piece
54 Steam supply pipe
55 casing
56 Fuel supply section
57 Raw fuel nozzle
58 Raw fuel passage
59 Raw fuel port
60 Reformed fuel nozzle
61 Swala
62 Reformed fuel passage
63 Reformed fuel port
64 division board
65 Air passage
67 Heat exchanger for multistage reformer
67a Heat exchanger for first reformer
67b Heat exchanger for second reformer
67c Heat exchanger for third reformer
68 Heat exchanger for steam recovery heating
68a Heat exchanger for first stage steam recovery heating
68b Heat exchanger for second stage steam recovery heating
68b 3rd stage steam recovery heating heat exchanger

Claims

A compressor that compresses a fluid containing combustion oxygen, a gas turbine combustor that burns fuel with the compressed fluid, a gas turbine that expands combustion gas to obtain power, and an exhaust gas discharged from the gas turbine A reformer that chemically reforms at least a part of the raw fuel using at least a part as a heat source, a steam generator that supplies steam to the reformer, and a part of the raw fuel directly to the gas turbine combustor In the gas turbine system including the supply system, the reformer is formed into a multi-stage reformer that is divided into a plurality of stages, and the steam is provided for each stage of the multi-stage reformer that is divided into a plurality of stages. A heat exchanger for a multistage reformer that heats the reforming catalyst accommodated in the multistage reformer by using steam from the generator as a heat source, while corresponding to the heat exchanger for the multistage reformer, Steam after heating Gas turbine system comprising the vapor recovery heating heat exchanger for heating again the exhaust gas discharged from the gas turbine.

In the multistage reformer, the reforming catalyst accommodated in the reactor is heated by exchanging heat from the steam from the steam generator with the heat exchanger for the multistage reformer, and the steam whose temperature has been lowered after the heat exchange is gasified. 2. The gas turbine system according to claim 1, wherein the exhaust gas from the turbine and the steam recovery heating heat exchanger are heated again, and then mixed with the raw fuel and passed through the reforming catalyst.