JP4545289B2 - ガスタービン用燃料供給設備およびそれを用いた供給方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃料ガス供給設備に関する。詳しくは、燃料ガスをタービンに供給する配管に特定の装置を設けることによって、供給される燃料ガスの成分が変化し、急激に燃料ガスの発熱量が変化しても、ガスタービンの出力に与える影響が少ない燃料ガス供給設備およびそれを用いる供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスをガスタービンによって燃焼させる際、燃料ガスの成分が急激に変化することがある。それは、しばしば、複数のガスを混焼する際に１部のガスの供給が増減あるいは停止することによって起こる。
例えば２種類の燃料ガスを供給する場合、図１の様に、それぞれの燃料ガスを別々の配管によって、タービンに供給し、別々のバーナーで燃焼する（従来の技術Ａ）か、図２の様に、それぞれの燃料ガスを１つの配管に合流させ、混合した後、１つのバーナーで燃焼する（従来の技術Ｂ）ものであった。
【０００３】
より詳しくは図１は、２種類のガスを別々に直接ガスタービン１に供給するものである。ガス１はコンプレッサー７、流量調整弁５ｂを経てガスタービン１に供給される。またガス２は流量調整弁５ｃを経てガスタービン１に供給され、それぞれ燃焼され発電機を動かした後、排気される従来の技術Ａを示したものである。
一方、図２は、２種類のガスを混合した後にガスタービン１に供給するものである。ガス１はコンプレッサー７、流量調整弁５ａを経て混合部６に送られ、ここで他のガス２と混合後、調整弁４を経てガスタービン１に供給される従来の技術Ｂを示したものである。
【０００４】
しかし、混焼の最中に燃料ガスの一つが緊急停止した際に、他のガスを供給し続けて連続運転をすることを考えた場合、従来の技術Ａにおいては、ガスの量が一瞬の内に下がってしまうので、供給を続ける他のガスで代替しようとしてもガスタービンの一時的な出力低下は避けられない。
例えば、メタンガスとＬＰＧを混焼する際に、メタンガスが停止した場合、メタンガスのコンプレッサーの停止信号や燃料遮断弁の閉信号などの検知手段によってメタンが停止したことを検知し、ＬＰＧの供給量を増加する。しかし、メタンガスの供給が停止した後、急遽供給を開始しても、ＬＰＧの供給量の増加は遅れ、ガスタービンの出力は一時的に下がるという問題が生じる。
【０００５】
従来の技術Ｂについては、上記の様に、燃料ガスの１つが停止した場合に、他の燃料ガスを使用して連続運転をしようとすれば、供給され続けている燃料ガスが、不足した分を補いすぐに代替する。しかし、燃料ガスを混焼する際には、燃料ガスの発熱量が違うことが多いため、供給され続けている燃料ガスのみで代替するためには、その組成の変化によって燃料ガスの発熱量の急激な変化が生じ、ガスタービンの出力が大きく変動する。
例えば、メタンとＬＰＧの供給において、メタンの供給が停止した場合、メタンに比べてＬＰＧは単位体積当たりの発熱量が大きいため、短時間の燃料ガスの置き換わりで、燃焼熱量が急激に上昇し、ガスタービンの燃焼温度も急激に上昇する懸念がある。特にこの変化は、瞬時に起こるため、ガスタービンのガバナーによる出力制御ではコントロールしきれない。
【０００６】
ガスタービンの出力が急速に低下すると発電量が下がり、電力を供給している他の工場設備に大きな影響を与える。また、ガスタービンの燃焼温度が急速に上昇すれば、タービンの破損の恐れが生じる。
したがって、燃料ガスの成分が急激に変化した際にも、出力を大きく変動させずに、かつ危険を生じないようなガスタービン用のガス供給設備が求められている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料ガスを混焼するガスタービンにおいて、燃料ガスの発熱量が急激に変化しても、急激な出力の変化を起こし難いタービンのガス供給設備およびその供給方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の問題点につき本発明者らが鋭意検討した結果、燃料ガスを供給する設備に特定の装置を設置することによって、上記問題点を解決し得ることを見出し本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
「燃料ガスの供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンに、燃料ガスを供給するガス供給設備において、燃料ガスが通過するように設置された一定の容積を有し、燃料ガスの成分の急激な変化に対する緩衝機能を有する装置を設けることによって、ガスタービンの急激な出力変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料供給設備およびそれを用いた供給方法。」に関するものである。
【０００９】
【発明の実施形態】
以下、必要に応じ図３を使用して、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。
図3は、図2で示した従来技術Ｂの場合について、本発明を示したものである。
ガス１とガス２は混合部６で混合された後クッションタンク８、調整弁４を経てガスタービン１に供給される。混合されたガスの組成が急激に変化した場合、ガスタービン１に供給される際にはクッションタンク８の緩衝作用により組成の変化が緩やかとなり、そのため発電機の出力変化も緩やかとなる。
【００１０】
本発明において、ガスタービン用燃料供給設備とは、ガスタービン用の燃料ガスを通過させ、ガスタービンに燃料ガスを供給する設備である。かかる設備には配管、気化器、スーパーヒーター、ガス加圧装置を含む。
ここで、ガスタービンとは、その付属物や廃熱利用のためのボイラーを有するものも含む。
【００１１】
本発明においてガスタービンは燃料ガスの供給量の調節による出力制御手段によって制御されている。ここで、該出力制御手段とは、タービンの回転数や出力が変動した場合、燃料ガスの流入量を調節してタービンの回転数または出力を一定に保つものである。その典型的なものは、ガバナーである。
【００１２】
本発明において、燃料ガスとは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン等の炭化水素化合物を例示することができ、これらの混合物であってもよい。また、常温、常圧で液体であっても、本発明のガス供給装置からガスタービンに供給される際に、ガス化できるものを含む。酸素、窒素、二酸化炭素、ハロゲン等の不燃性の気体を実質上含まないものである。
【００１３】
本発明において、燃料ガスの発熱量が急激に変化する場合の典型的な例は、発熱量の低いガスと高いガスを混焼し、後に、発熱量の低いガスが緊急停止ないし遮断による停止をする場合である。ここで、発熱量が低いまたは高いとは、２種類のガスを比較して相対的に単位体積当たりの発熱量が低いガス、または高いガスをいう。具体的なガスの組み合わせとして、発熱量の低いメタンおよび、発熱量の高い炭素数３乃至４の炭化水素化合物の組み合わせがある。これらは、それぞれエチレンの副生ガスとＬＰＧとして供給されるものが例示される。
【００１４】
本発明のガス供給設備においては、少なくとも２種類のガスを供給する場合に、その一部が供給を停止し、他のガスの供給を続けることによって、成分の変化が起こる場合には、圧力差によって供給を続ける燃料ガスがすぐに不足分を供給できる様にする。すなわち、例えば図３において、燃料ガスが合流し混合する混合部６においては、供給を停止した燃料ガスの分、混合部の圧力が低下し、その圧力差により供給を続ける燃料ガスが増加し供給される。
【００１５】
本発明のガス供給設備において、ガスの緩衝機能を有する装置はガスタービンに供給される実質上すべてのガスが通過するように設置される。図３においては、ガス混合部６とガスタービン１との間に該装置としてクッションタンク８が設けられている。
【００１６】
本発明において燃料ガスの成分変化に対する緩衝機能とは、燃料ガスを供給している最中に、供給される燃料ガスの組成が急激に変化した際、変化前の燃料ガスから変化後の燃料ガスへの置き換わりを緩やかにし、急激なガス組成の変化を起こさないように、排出されるガス組成の変化を時間をかけて行う機能である。典型的には、燃料ガスの通過に際して、入り口から導入された燃料ガスが、該装置の内部において該装置内部にすでに存在する燃料ガスと随時混合された後、出口から燃料ガスが排出される構造を有し、導入される燃料ガスの成分が急激に変化した場合、排出される燃料ガスが、最終的に変化前の燃料ガスに由来した成分がなくなり、変化後の燃料ガスに徐々に置き換わるものである。
【００１７】
このために、緩衝機能を有する装置はある一定以上の容積を持たなくてはならない。かかる緩衝機能を有する装置の容積は、単なる空間ではなく、緩衝機能を奏するために、さらに、内部に残存する燃料ガスと供給を続ける燃料ガスが混合する機能を有する必要がある。とくに、完全混合状態となるように混合することが望ましい。
【００１８】
この際、該装置の形状はいくつか考えられるが、典型的なものはタンク形式のものである。その容積は、タービンの規模、ガスの流量等に応じて変更する必要があり、燃料ガスが置き換わる際に、タービンの出力に与える影響が、出力制御手段による制御の許容範囲となるような体積であることが必要である。該装置の容積の一例をあげれば、一般的なタービンで１〜１００ｍ^３、好ましくは、２〜５０ｍ^３程度であって、実質的に完全混合ないしそれに近い場合には、燃料ガスの平均滞留時間が１５秒以上、好ましくは、２０秒〜１００秒に設計することが望ましい。
【００１９】
緩衝機能を有する装置の内部に残存する燃料ガスと供給を続ける燃料ガスを混合する機能を有する手段の典型例は、図４で示すようにクッションタンク８１内部へガスを導入する際に先端を閉じたパイプの側面に複数の噴射口８５を備えた噴射ノズル８４を使用し、残存する燃料ガス中に供給を続ける燃料ガスを導入することにより混合する方法等が挙げられる。
【００２０】
本発明のガス供給設備によって供給する燃料ガスは、ガスタービンで燃焼され発電に供される。
【００２１】
本発明のガス供給設備は、上述のようなガスの成分の変化に対して、緩衝機能を有する装置を具備し、ガバナー等の出力制御手段が作動するのに十分な時間を確保できるため、通常の出力制御によるガスタービンの出力制御が可能となる。
【００２２】
本発明のガスタービン用燃料の供給方法は上記のガス供給設備を使用した燃料の供給方法であり、本方法を用いると燃料ガス成分が急激な変化をした場合でも急激なガスタービンの出力の変動を少なくすることが可能となる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を説明する。
〈実施例〉
図３の様に、本発明のガス供給設備をガスタービンに設置し、燃料ガス１、２を供給した。発電機出力は３５ＭＷ、緩衝装置としてクッションタンク８を設置した。
図４はこのクッションタンクの縦断面図を記したものである。クッションタンク８１は図で示したように先端をふさいだパイプに複数のガス噴出口８５を開けた噴射ノズル８４を内蔵し、供給ガスが内部のガスと実質上完全混合状態になるように設計されたタンクを設けた。
ガス１としてエチレンプラントから副生するメタンを主成分とするガスを、ガス２として炭素数３〜４の炭化水素を主成分とするＬＰＧを使用し、両者をあわせて、ガスタービンの入り口の温度約１００℃、圧力約２ＭＰａとなるように供給した。クッションタンクの大きさは、タンク内の燃料ガスの平均滞留時間が２０秒以上となるように設計した。
ガス１とガス２を、混合部６で均一に混合し、クッションタンク８（緩衝機能を有する装置）に供給する。クッションタンクを経た後、配管を通じてガスタービンへ供給する。
ガスタービンの発電量が３５ＭＷで安定した状態で、ガス１を緊急遮断した。
その時の発電出力の変化の様子を図５に示す。
燃料ガスの発熱量の急激な変化を抑制できたため、ガバナーによる制御で充分にガスタービンの出力のコントロールができていることがわかる。
【００２４】
〈比較例１、２〉
比較例１として、図１に示した従来の技術Ａおよび比較例２として図２に示した従来の技術Ｂの設備において、それぞれ実施例と同じように発電量が３５ＭＷで安定した状態で、ガス１を緊急遮断した。その時の発電出力の変化の様子のシュミレーションについて、それぞれにコンピュータで解析した結果を図６、図７に記載する。
比較例１、２ともにガス１の緊急遮断によりガスタービンの出力のコントロールができていないことがわかる。
なお、参考として、比較例１、２と同様のシュミレーションを実施例で行ったものを図８として記載する。図８と図５から、シュミレーションの結果と現実の結果がほぼ同じであることがわかる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明では、ガスタービン用燃料ガス供給装置において、燃料ガスが通過するように設置された一定の容積を有し、燃料ガスの成分の急激な変化の緩衝機能を有する装置を設けることによって、少なくとも２種類のガスが供給されている最中に、少なくとも１種類のガスが停止した際でも、ガスタービンの急激な出力の変化を起こすことなく、安定したガスタービンの運転を継続することが可能となる。よって、発電量、廃ガスボイラーでのスチーム発生量等も安定し、工場の生産性等に大きく貢献できる。
さらに、本発明は、複雑なガスの制御システムを必要としないため、多くのガスタービンに応用でき、その効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術Ａにおける供給設備の概要図である。
【図２】従来の技術Ｂにおける供給設備の概要図である。
【図３】本願発明における供給設備の一例である。
【図４】本願発明における緩衝機能を有する装置の一例であるクッションタンク縦断面図である。
【図５】実施例における発電出力変化を示すグラフである。
【図６】比較例１の発電出力変化のシュミレーション図である。
【図７】比較例２の発電出力変化のシュミレーション図である。
【図８】実施例の発電出力変化のシュミレーション図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 排ガス助燃ボイラー
３ 発電機
４ 調整弁
５ａ、５ｂ、５ｃ 流量調整弁
６ 混合部
７ ガスコンプレッサー
８ クッションタンク
８１ クッションタンク本体
８２ ガス入口
８３ ガス出口
８４ 噴射ノズル
８５ 噴射口

Claims (5)

1. 燃料ガスの供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンに、複数の混合された燃料ガスを供給するガスタービン用燃料供給設備において、
   前記ガスタービン用燃料供給設備には、燃料ガスの成分の急激な変化に対する緩衝機能を有する装置が設けられ、
   前記緩衝機能を有する装置は、供給される前記燃料ガスの装置内での平均滞留時間が２０秒から１００秒となるように設計された容積を持ち、かつ前記燃料ガスを噴射させるために先端を閉じたパイプの側面に複数の噴射口を備えた噴射ノズルを内蔵しており、
   前記噴射ノズルを使用して前記緩衝機能を有する装置の内部に前記燃料ガスを導入することにより、導入された燃料ガスと前記緩衝機能を有する装置内にすでに存在していた燃料ガスとを混合して混合状態の燃料ガスとし、前記ガスタービンに供給して、前記ガスタービンの急激な出力変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料供給設備。
2. 複数の燃料ガスが供給される際、燃料ガス成分の急激な変化が、１部の燃料ガスの停止によって生じることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃料供給設備。
3. 前記緩衝機能を有する装置において、燃料ガスの成分の急激な変化の際に、該緩衝機能によって、タービンの出力に与える影響が、出力制御手段の許容範囲となることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給設備。
4. 前記緩衝機能を有する装置が、該装置に供給される燃料ガスの成分が変化し、最終的に供給を続ける燃料ガスに置き換わる際に、完全混合状態となるように設計された装置であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給設備。
5. 請求項１から４のいずれかに記載されたガスタービン用燃料供給設備を用いて成分の急激な変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料の供給方法。

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