JP4751950B1 - 希薄燃料吸入ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの出力低下を来たす排気系の圧力損失がなく、かつガスタービンのコンパクト化を図ることができる希薄燃料吸入ガスタービンを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料を含む可燃濃度限界以下の作動ガスＧ１を圧縮して圧縮ガスＧ２を生成する圧縮機１と、圧縮ガスＧ２を触媒反応により燃焼させる触媒燃焼器２と、触媒燃焼器２からの燃焼ガスＧ３により駆動されるタービン３と、圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２をタービン３からの排ガスＧ４によって加熱する再生器６と、タービン３から再生器６への排ガス通路２５の外側に設けられて、圧縮機１より抽出された抽出ガスＧ２０に燃料を混合して燃焼させた加温用ガスＧ５を排ガス通路２５に供給する加温用バーナ７と、加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を制御する抽気弁８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭鉱などで発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane)や埋立地などで発生するランドフィルガスなどの低カロリーガスを燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンに関する。

従来、メタン濃度が可燃限界よりも低いガスをエンジンに吸入し、ガス中に含まれているメタン成分を燃料として利用する希薄燃料吸入ガスタービンが知られている。このガスタービンは、低濃度のメタンガスを含む作動ガスを圧縮機で圧縮して圧縮ガスを生成し、これを触媒燃焼器で触媒反応により燃焼させ、得られる燃焼ガスによりタービンを駆動させる。タービンから排出される排ガスは再生器（熱交換器）に送り、これにより前記圧縮機から触媒燃焼器に導入される圧縮ガスを所定温度以上に加温する。前記タービン出口と再生器入口との間を接続する排ガス通路内にはダクトバーナを設け、排ガス温度の低いエンジンの始動時や低負荷運転時に、前記ダクトバーナに天然ガスのような燃料を投入してこれを燃焼させる。これにより、排ガス温度を上昇させることで、圧縮機から再生器に供給された圧縮ガスを十分加温して前記触媒燃焼器に導入し、触媒燃焼器を活性化することにより、タービンを効率的に駆動させている (特許文献１）。

このガスタービンでは、メタン濃度の低い低カロリーガス、特に炭坑における通風の排気であるＶＡＭ(Ventilation Air Methane)を燃料として利用できる。このＶＡＭは、メタン濃度が１％以下で通常の方法では燃焼しないため、大気中に放散されているのが現状であるが、このＶＡＭを燃料とするガスタービンで発電することによりＣＯ_２排出権を獲得することもできる。

特開２０１０−１９２４７号

しかしながら、前記ガスタービンの場合、タービン出口の排ガス通路内にダクトバーナを設置した構造であるため、定格運転時のようにダクトバーナを作動させない場合でもタービンからの排ガスが排ガス通路内を通過するので、排気系の圧力損失を来たし、エンジンの出力低下の原因となる。また、ダクトバーナへの燃焼用空気の流量調整ができないので、触媒燃焼器の触媒劣化時に必要なダクトバーナの再着火が困難になる。さらに、排ガス通路内にダクトバーナを設置して収容する構造であるため、排ガス通路自体を大寸法の容量の大きいものとせねばならず、ガスタービンが大型化する。

本発明は、エンジンの出力低下を来たす排気系の圧力損失がなく、かつガスタービンのコンパクト化を図ることができる希薄燃料吸入ガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の希薄燃料吸入ガスタービンは、燃料を含む可燃濃度限界以下の作動ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧縮機と、前記圧縮ガスを触媒反応により燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機から触媒燃焼器に導入される圧縮ガスを前記タービンからの排ガスによって加熱する再生器と、前記タービンから再生器への排ガス通路の外側に設けられて、前記圧縮機より抽出された抽出ガスに燃料を混合して燃焼させた加温用ガスを前記排ガス通路に供給する加温用バーナと、前記加温用バーナへの抽出ガスの供給量を制御する抽気弁とを備えている。

このガスタービンによれば、燃料と空気を混合した可燃限界濃度以下の作動ガスが圧縮機で圧縮され、その圧縮ガスが触媒燃焼器で触媒反応により燃焼され、ここで発生する高温の燃焼ガスによりタービンが駆動される。始動時や低負荷運転時など、触媒燃焼器の入口温度が触媒反応の開始温度に達しない場合、加温用バーナにより、圧縮機から抽出された抽出ガスに燃料を混合して燃焼させた加温用ガスが排ガス通路に供給されて排ガスが加熱される。こうして、加熱された排ガスが、再生器で、圧縮機から導入される圧縮ガスと熱交換され、昇温した圧縮ガスにより触媒燃焼器の入口温度が上昇して触媒燃焼を可能にする。これにより、高温の燃焼ガスをタービンに安定して供給できる。しかも、前記加温用バーナは排ガス通路内に存在しないので、排気系の圧力損失がなく、エンジンの出力低下を来たさない。さらに、ＣＭＭ、ＶＡＭ、ランドフィルガスのような燃料濃度(メタンガス濃度)の低いガスを燃料として用いてガスタービンを駆動でき、触媒反応を利用しているから、加湿用バーナを使用しない通常の定格運転時にはＮＯｘを発生させることなく、多くの可燃限界濃度以下のガスを処理してメタンガス放出量を削減できるので、地球温暖化防止に役立たせることができる。

また、従来のように、加温用バーナを排ガス通路内に設置する構造ではないから、排気系の圧力損失を来たさず、エンジンの出力低下がないので、効率的な運転が行える。さらに、加温用バーナが排ガス通路内に設置されていないことで、排ガス通路が比較的小サイズのもので足りて、ガスタービンをコンパクト化できる。また、加温用バーナへの抽出ガスの供給量を抽気弁により制御するので、再着火の際に抽出ガス量を適切に制御して、加温用バーナで必要な量の加温用ガスを生成できるので、再着火が容易になされる。

本発明の好ましい実施形態では、前記抽気弁は加温用バーナへの抽出ガスの供給量を連続的に増減制御する制御弁からなる。この構成によれば、加温用バーナへの抽気ガスの供給量が抽気弁により連続的に制御されるので、エンジン回転速度の変化に合わせて加温用バーナへの抽出ガスの供給量ならびに燃料制御弁により制御される加湿用バーナへの燃料供給量を適切に設定して、加温用バーナからの加温用ガスの流量および温度を適宜制御することにより、触媒燃焼器の入口温度を適切に制御できる。

本発明の好ましい実施形態では、前記加温用バーナはエンジン始動時に作動するように構成されている。エンジンの始動時には、タービンからの排ガスの温度が低いために、前記触媒燃焼器が十分活性化されないので、タービンに高圧・高温の圧縮ガスを供給できず、エンジンの回転を円滑に上昇させることができない。このようなエンジン始動時に加温用バーナを作動させるので、触媒燃焼器を効率的に活性化させて、円滑なエンジン始動が可能になる。

本発明の好ましい実施形態では、前記加温用バーナはエンジンの定格回転数よりも低い部分回転数において作動するように構成されている。エンジンが部分回転数の場合には、
ガスタービンを通過する作動ガスの総量が定格回転時よりも少ないので、それに伴い加温用バーナで必要とされる燃料量も少なくて済むから、加湿用バーナをコンパクト化できる。

本発明の好ましい実施形態では、前記加温用バーナはガスタービンの起動時以外にも前記触媒燃焼器での燃焼不良が生じたときに作動するように構成されている。触媒燃焼器において、触媒の劣化のような原因で燃焼不良が生じたとき、前記加温用バーナを再着火して作動させるので、触媒燃焼器が十分活性化され、エンジンの出力低下を回避できる。

本発明によれば、燃料濃度(メタンガス濃度)の低いガスによりガスタービンを駆動できる。しかも、触媒反応を利用しているから、通常の定格運転時にはＮＯｘを発生させることなく、多くのガスを処理してメタンガス放出量を削減できる。また、加温用バーナを排ガス通路内に設置する構造ではないから、排ガス通路が比較的小サイズのもので足りて、ガスタービンをコンパクト化できるとともに、排気系の圧力損失を来たさず、エンジンの出力低下が防止される。

本発明の一実施形態にかかる希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。 同実施形態に用いるガスタービンの主要構成部分の配置構成図である。 同実施形態における始動停止タイミングチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。このガスタービンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンＧＴの出力により、発電機とスタータを兼ねる回転機４が駆動される。

このガスタービンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭ、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭのような、空気と燃料（可燃成分）とが混合された作動ガスＧ１が、前記圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が前記触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１に回転軸５を介して連結され、このタービン３により圧縮機１が駆動される。このようにして、ガスタービンＧＴおよび回転機４を含む発電装置５０が構築されている。ここで、作動ガスＧ１中の燃料濃度（可燃成分濃度）は可燃濃度限界以下、すなわち、火炎燃焼が可能な最低温度以下であるから、圧縮機１での圧縮により昇温しても着火することはない。前記作動ガスＧ１には適宜、高濃度の可燃成分を加えて、燃料濃度を高めることができる。

ガスタービンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する再生器（熱交換器）６と、加温用バーナ７とを備えている。この加温用バーナ７は、圧縮機１より抽出された抽出ガスＧ２０に燃料を混合して火炎燃焼させた加温用ガスＧ５を、タービン３から再生器６に供給される排ガスＧ４に混入する。加温用バーナ７には、この加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を制御する抽気弁８が接続されている。前記再生器６から流出した排ガスＧ４は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。

前記抽気弁８による加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量の制御は、後述するコントローラ２０の始動制御手段２１からの出力信号により行なわれる。

前記加温用バーナ７への燃料供給は、炭坑の掘削部分のようなＣＭＭ源１３から送給されるＣＭＭを第１燃料流量制御弁９により流量を調整しながらなされる。この第１燃料流量制御弁９によるＣＭＭの流量調整は装置全体をコントロールするコントローラ２０に設けられた始動制御手段２１からの制御信号によって行なわれる。圧縮機１への作動ガスＧ１の供給は、炭坑の換気のようなＶＡＭ源１２からのＶＡＭに必要に応じてＣＭＭ源１３から抽出したＣＭＭを第２燃料流量制御弁１０によりその流量を調整しながら混入することによってなされる。ＣＭＭは１０〜３０％程度のメタンガスを含み、ＶＡＭは１％未満のメタンガスを含む。この第２燃料流量制御弁１０によるＣＭＭの流量調整は、コントローラ２０に設けられた始動制御手段２２からの制御信号によって行なわれる。また、ＶＡＭ源１２から圧縮機１への吸入通路には、後述する運転開始時のパージのために、開閉弁１８を介して、周囲環境のような空気源１９が接続されている。

また、前記触媒燃焼器２の入口側には、その入口温度を検出する第１の温度センサ３１が設けられ、触媒燃焼器２の出口側には、その出口温度を検出する第２の温度センサ３２が設けられている。前記第１の温度センサ３１で検出した触媒燃焼器２の入口温度は、コントローラ２０の始動制御手段２１に温度検出信号として入力され、第２の温度センサ３２で検出した触媒燃焼器２の出口温度は、コントローラ２０の始動制御手段２１と負荷・停止制御手段２２にそれぞれ温度検出信号として入力される。

さらに、前記温度センサ３１，３２の他に、タービン３の出口側には、その出口温度を検出する第３の温度センサ３３が設けられ、この第３の温度センサ３３で検出した排ガスの温度検出信号がコントローラ２０の負荷・停止制御手段２２に入力される。再生器６の入口側には、その入口温度を検出する第４の温度センサ３４が設けられ、入口温度の温度検出信号がコントローラ２０の始動制御手段２１に入力される。

圧縮機１とタービン３とを連結する回転軸５は単一軸からなり、この回転軸５と回転機４とが減速機１７を介して連結されている。回転軸５に回転センサ３６が設けられ、この回転センサ３６で検出した回転軸５の回転数の検出信号が、コントローラ２０の負荷・停止制御手段２２に入力される。

タービン３の回転により駆動される回転機４により得られる電力は、コントローラ２０の負荷・停止制御手段２２に入力される。電力変換装置１１は、負荷・停止制御手段２２によって、始動時に回転機４をスタータモータとして駆動させる。

図２に示すように、タービン３と再生器６とは、排気ダクトによって形成された排ガス通路２５で連結されている。この排ガス通路２５は、タービン寄りの円筒状部２５ａとこの円筒状部２５ａの下流端部に接続され、再生器６側に向かって末広がりとなった拡径筒状部２５ｂとからなる。この排ガス通路２５の拡径筒状部２５ｂに対し、加温用ガスＧ５を排ガス通路２５内に供給する加温用バーナ７が拡径筒状部２５ｂの外側に設けられている。排ガス通路２５の再生器６側に連結される拡径筒状部２５ｂを末広がり状としたので、加温用ガスＧ５は大形の再生器６に対して均一に供給され、再生器６の全体を有効に利用して、圧縮ガスＧ２と熱交換できる。

前記加温用バーナ７には、前述したように、ＣＭＭ源１３（図１）から燃料成分であるＣＭＭが供給されるようになっており、圧縮機１から再生器６へ圧縮ガスＧ２を供給する圧縮ガス通路２４から抽気ガス通路２７が分岐しており、この抽気ガス通路２７に、加温用バーナ７とその上流側に位置する抽気弁８とが設けられている。

上記構成のガスタービンＧＴの基本動作である始動制御、負荷制御および停止制御について図３に示すガスタービンの始動停止タイミングチャートを参照しながら説明する。図３において、曲線ａはガスタービンＧＴの回転軸５の回転数、ｂは発電電力、ｃは第１燃料流量制御弁９の開度、ｄは第２燃料流量制御弁１０の開度、ｅは抽気弁８の開度を、それぞれ示す。

はじめに、始動制御について説明する。始動制御では、外部から始動指令を受けた始動制御手段２１が、まず、図１の電力変換装置１１を作動させて、回転機４をスタータとして駆動し、かつ開閉弁１８を開弁して、ガスタービンＧＴに空気を吸い込ませて、一定時間モータリングし、図３に示すように、ガスタービンＧＴを低い回転数（例えば定格の２０〜３０％）で回転させる（パージ）。つぎに、開閉弁１８を閉弁し、ガスタービンＧＴにＶＡＭ源２からＶＡＭを吸いこませて定格回転数（１００％）よりも低い部分回転数（例えば定格の６０％程度）まで回転数を上げてモータリングし、図１の加温用バーナ７の点火により再生器６の暖気を行なうとともに、触媒燃焼器２が触媒反応可能な所定温度になるまで昇温させる。このとき、図３に示すように、パージ終了後に抽気弁８を徐々に開放し、加湿用バーナ７の点火後は一定開度に維持する。続いて、図１の触媒燃焼器２で触媒燃焼を行っている間に負荷・停止制御手段２２からの制御信号によって第２燃料流量制御弁１０を開き、ＣＭＭ源１３から圧縮機１へのＣＭＭの供給を開始する（吸気ＣＭＭ投入）。これにより、触媒燃焼器２の入口温度が上昇しようとするので、この入口温度が適正な温度となるように、加温用バーナ７での燃焼を調整する。

この燃焼調整は、図３に示すように、抽気弁８と第１燃料流量制御弁９の開度ｅ，ｃを徐々に小さくすることにより、図１に示す加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給と、燃料としてのＣＭＭ供給とを、それぞれ徐々に少なくすることにより行なう。触媒燃焼器２の入口温度は、温度センサ３１で検出されて、その検出信号がコントローラ２０の始動制御手段２１に入力される。この検出信号を受けた始動制御手段２１が抽気弁８および第１燃料流量制御弁９のそれぞれに制御信号を出力して、その開度ｅ，ｃを制御する。図３に示す発電電力ｂが０ｋＷを超えると、つまり発電が開始されると、抽気弁の開度ｅおよび第１燃料流量制御弁９の開度ｃをさらに小さくしながら全閉して、抽出ガスＧ２０ならびに加温用バーナ７へのＣＭＭ供給を停止させ、加温用バーナ７を消火する。

つぎに、負荷制御について説明する。図３で発電が開始されると、図１の負荷・停止制御手段２２からの制御信号によって第２燃料流量制御弁１０を制御して、その開度ｄをさらに大きくし、ＣＭＭ源１３から圧縮機１に供給されるＣＭＭ量を増加させ、前述のとおり、加温用バーナ７を消火したのち、触媒燃焼器２で触媒燃焼を継続する。図３で、エンジン回転数ａが定格（１００％）に達して発電電力ｂが定格値（定格負荷）に達するまで第２燃料流量制御弁１０の開度ｄが徐々に大きくなって、圧縮機１に供給されるＣＭＭの供給量を増大させる。続いて、定格負荷になると、設定した発電電力ｂを保持するように、図１の第２燃料流量制御弁１０により圧縮機１に供給されるＣＭＭの供給量を制御し、作動ガスＧ１中のＣＭＭ濃度を調整する。

停止制御においては、外部から停止指令を受けたとき、始動制御手段２１が作動し、図３に示すように、発電電力ｂの設定を徐々に下げ、この電力設定に応じて第２燃料流量制御弁１０を制御して、その開度ｄを徐々に小さくし、触媒燃焼器２に供給されるＣＭＭの量を少なくする。これに伴い、エンジン回転数ａが低下して発電電力ｂがほぼ０ｋＷの無負荷状態になる。この後、無負荷状態を一定時間保持して、エンジン全体をアフタークーリングする。このアフタークーリング後、第２燃料流量制御弁１０を全閉して圧縮機１へのＣＭＭの供給を停止することで、発電停止状態とし、ガスタービンＧＴをフリーラン停止させる。

加温用バーナ７は、以上のエンジン始動時とは別に、触媒燃焼器２での燃焼不良が生じたときにも作動する。すなわち、第２の温度センサ３２により検出された触媒燃焼器２の出口温度が予め定めた設定温度以下になったとき、触媒の劣化のような原因で触媒燃焼器２の燃焼不良が生じたと判断され、コントローラ２０が作動して抽気弁８と第１燃料流量制御弁９を開き、加温用バーナ７を再着火する。これにより、再生器６に入る排ガスＧ４が昇温し、触媒燃焼器２に供給される圧縮ガスＧ２が昇温して、触媒燃焼器２が十分活性化され、エンジンの出力低下を防止できる。

上記実施形態によれば、ガスタービンＧＴの始動を円滑に行うことができる。すなわち、 エンジンの始動時には、タービン３からの排ガスＧ４の温度が低いため、触媒燃焼器２が活性化されないので、タービン３に高圧・高温の圧縮ガスを供給できず、エンジンの回転を円滑に上昇させることができないが、上記実施形態における加温用バーナ７はエンジン始動時に作動して、再生器６に入る排ガスＧ４の温度を上昇させる。これにより再生器６での熱交換によって、触媒燃焼器２に供給される圧縮ガスＧ２の温度が上昇するので、触媒燃焼器２を効率的に活性化させて、円滑なエンジン始動が可能になる。

また、図１の加温用バーナ７を排ガス通路２５内ではなく、排ガス通路２５の外側に設けた構造であるから、排気系の圧力損失を来たさず、エンジンの出力低下がないから効率的なガスタービンＧＴの運転が行える。さらに、加温用バーナ７が排ガス通路２５内に設置されていないことで、排ガス通路２５が比較的小サイズのもので足りて、ガスタービンＧＴをコンパクト化できる。

また、前記加温用バーナ７の上流側に抽気弁８を設け、この抽気弁８により、加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を連続的に増減制御するから、エンジン回転速度の変化に合わせ、加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量ならびに燃料制御弁９により制御される加湿用バーナ７への燃料供給量を適切に設定して、加温用バーナ７からの加温用ガスＧ５の流量および温度を適宜制御することにより、触媒燃焼器２の入口温度を適切に制御できる。

さらに、エンジンが部分回転数の場合には、定格回転数と比較して、ガスタービンを通過する作動ガスの流量が少なくなるため、それにともない加湿用バーナ７で必要とされる燃料流量も少なくて済み、加湿用バーナ７をコンパクト化できる。

なお、本発明は、作動ガスとして例示した前記ＣＭＭ，ＶＡＭ以外の可燃性ガスであっても可燃濃度限界以下の濃度のガスであれば、使用できる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
２ 触媒燃焼器
３ タービン
４ 発電機
６ 再生器
７ 加温用バーナ
８ 抽気弁
２５ 排ガス通路
Ｇ１ 作動ガス
Ｇ２ 圧縮ガス
Ｇ３ 燃焼ガス
Ｇ４ 排ガス
Ｇ５ 加温用ガス
Ｇ２０ 抽出ガス

Claims (5)

1. 燃料を含む可燃濃度限界以下の作動ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧縮機と、
   前記圧縮ガスを触媒反応により燃焼させる触媒燃焼器と、
   前記触媒燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
   前記タービンからの排ガスによって前記圧縮機から触媒燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する再生器と、
   前記タービンから再生器への排ガス通路の外側に設けられて、前記圧縮機より抽出された抽出ガスに燃料を混合して燃焼させた加温用ガスを前記排ガス通路に供給する加温用バーナと、
   前記加温用バーナへの抽出ガスの供給量を制御する抽気弁とを備えた希薄燃料吸入ガスタービン。
2. 請求項１において、前記抽気弁は加温用バーナへの抽出ガスの供給量を連続的に増減制御する制御弁からなる希薄燃料吸入ガスタービン。
3. 請求項１または２において、前記加温用バーナはエンジン始動時に作動する希薄燃料吸入ガスタービン。
4. 請求項３において、前記加温用バーナはエンジンの定格回転数よりも低い部分回転数において作動する希薄燃料吸入ガスタービン。
5. 請求項１から３のいずれか一項において、前記加温用バーナは前記触媒燃焼器での燃焼不良が生じたときに作動する希薄燃料吸入ガスタービン。

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