JP5183605B2 - 低カロリーガス焚きガスタービンシステムおよびシステムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、低カロリーガスを燃料に使用するガスタービン発電プラントに関する。

近年、地球温暖化防止と資源有効活用の観点から、例えば製鉄プロセスの高炉で発生する高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）といった、途上国では大気中に放散されている低カロリーガス燃料でガスタービン発電プラントを運用することが検討されている。

特許文献１には、高炉で発生したＢＦＧ、コークス炉で発生したコークス炉ガス（ＣＯＧ：Cokes Oven Gas）、および転炉で発生した転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）をガスホルダに供給して貯留し、集塵装置でそれぞれ徐塵された後、送風機により必要圧力を維持しガス供給設備を介して高炉用の各熱風炉へ燃料ガスとして供給したり、自家発電所や蒸気発生ボイラ用の燃料としたりするシステムが開示されている。

特許文献２には、ガスタービン出力とガスタービン運転特性から算出される発電効率から燃料ガスの発熱量を推定し、ＢＦＧの安定燃焼に必要な助燃燃料の供給量を決定する方法が開示されている。

特許文献３には、低カロリーガスを燃料としたガスタービンの負荷遮断時に、燃料の供給系統に減熱用ガスを供給することで、ガスタービンをトリップさせることなく、ガスタービン入熱量を安定且つ速やかに定格負荷運転状態から定格無負荷運転状態に移行する方法が開示されている。

特開２００３−１２９１１９号公報 特開２００４−１９０６３３号公報 特開２００７−１１３４８７号公報

特許文献１で開示された技術では、自家発電設備が停止して、ガスホルダに貯留可能な量に達したあとのガスの取り扱い方法について規定していない。このため、自家発電設備で使用する燃料ガスを消費する設備を追加して持つ必要がある。

特許文献２で開示された技術をフレアスタックで利用する場合、ガスタービン出力のような燃料供給量に関する指標がない。そのため、燃焼安定性を確保するためには、別途新たな運用方法の検討が必要である。

特許文献３は、一時的な負荷遮断について、ガスホルダへ燃料ガスを貯留することで対応する技術が記載されている。しかし、長時間の負荷遮断時における燃料の処理方法についての記載はない。

そこで、本発明の目的は、余剰燃料を効率的に処分することで環境負荷を低減したガスタービンシステムを提供することにある。

空気を圧縮する空気圧縮機と、第一のガス燃料と、第一のガス燃料よりも発熱量の多い第二のガス燃料との混合燃料を昇圧するガス圧縮機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で昇圧された前記混合燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するガスタービンと、第一のガス燃料を燃焼させるフレアスタックとを有し、前記フレアスタックは、前記第二の燃料よりも発熱量の多いパイロットバーナ用燃料を燃焼させるパイロットバーナを有し、前記パイロットバーナよりも下流側に、前記第一のガス燃料を噴射する第一燃料噴射手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、余剰燃料を効率的に処分することで環境負荷を低減したガスタービンシステムを提供できる。

実施例１に係るガスタービンシステムの概略を示したものである。 実施例１におけるフレアスタックの構造の概略を示したものである。 実施例２に係るガスタービンシステムの概略を示したものである。 実施例２におけるフレアスタックの構造の概略を示したものである。 実施例２における図４とは別のフレアスタックの構造の概略を示したものである。 実施例２における図４、図５とは別のフレアスタックの構造の概略を示したものである。 実施例３におけるガスタービンシステム概略を示したものである。 実施例３におけるガスタービンシステムのガスタービン停止時にフレアスタックへ供給される流体流量の時間変化を示したものである。

天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントは、産業用電力を支える発電プラントのひとつである。このガスタービン発電プラントは主に化石資源を燃料とし、地球温暖化物質の二酸化炭素（ＣＯ₂）を排出する。そこで、これまで以上に燃料資源の有効活用が求められている。

燃料資源の有効活用としては、種々の副生燃料の利用が考えられる。しかし、例えば製鉄プラントで発生するＢＦＧは、典型的な低カロリーガス燃料であり、その発熱量は３.４ＭＪ／Ｎｍ³程度である。一般的に使用される燃料の一つである、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）は４３ＭＪ／Ｎｍ³程度の発熱量を持っており、ＢＦＧの発熱量はＬＮＧの１／１０程度と言える。またＢＦＧは燃焼速度が小さいため、ＢＦＧ単体燃料ではガスタービン発電プラントの起動から定格負荷までの安定燃焼ができず、起動用燃料および助燃燃料を必要とする。ＢＦＧと組み合わせる助燃燃料は高炉に隣接するコークス炉の副生ガスであるＣＯＧ（１８ＭＪ／Ｎｍ³程度の発熱量）を用いる場合が多い。

高炉やコークス炉は、長期間にわたり停止せず、ＢＦＧやＣＯＧを発生させ続けるものである。中には、１０年以上の長期連続運転実績を持つ設備もある。一方、発電を行うガスタービンは、一般的に１年に一度程度の割合で点検が必要である。つまり、ガスタービン発電プラントの点検期間中にも、高炉やコークス炉からＢＦＧやＣＯＧなどの燃料ガスは生成され続けることとなる。そのため、ガスタービンの停止期間中において、例えば有毒である一酸化炭素を２０％以上含有するＢＦＧなどを処分する手段が必要になる。

しかし、長時間にわたるガスタービンへの燃料供給停止や供給量低下に対して、燃料ガスをガスホルダに貯留するという対策には限界がある。そこで、この燃料ガスは大気放出されたり、燃焼処理されたりしてきた。しかし、燃料ガスを大気放出する場合、有毒ガスである一酸化炭素の放出による環境負荷の増大や、燃料ガスが着火・爆発する危険性の高まりへの対策が必要である。

ＢＦＧは低カロリー燃料であり体積流量が大きい。そのため、焼却処理の場合、フレアスタックのパイロットバーナの燃焼安定性が低下したり、それに伴って燃料ガスの未燃分が増加したりする可能性がある。フレアスタックでの安定燃焼を実現するために、パイロットバーナ用燃料を過度に供給すれば、燃料の供給動力でプラント効率を低下させる懸念がある。また、パイロットバーナ用燃料は燃焼性の高い高級燃料であるため、資源の有効活用の観点やコスト低減の面から、必要最小限の使用量に限定することが望ましい。

他には、ガスタービン発電プラントを複数台用意し、停止したガスタービンとは別のガスタービンでＢＦＧなどの燃料ガスを消費する方法があるが、ガスタービンを設置するための初期設備コストが高くなる。また、ガスタービンは定格負荷近傍で効率が最も高くなるため、通常運転時に複数台のガスタービンを運転し、部分負荷で運用すると発電効率が低下するなどの問題がある。

以上の通り、資源の有効活用や環境負荷の低減といった課題を解決する必要がある。以下、資源の有効活用や環境負荷の低減が可能な本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るガスタービンシステムの概略を、例として示したものである。本実施例のガスタービンシステムは、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６などを備える。

空気圧縮機２は、大気から吸込んだ空気１０１を圧縮し、圧縮空気１０２を燃焼器３へ供給する。燃焼器３は、第一のガス燃料であるＢＦＧ１１１と第二のガス燃料であるＣＯＧ１１０を混合した混合燃料ガス２０１と圧縮空気１０２との混合・燃焼によって燃焼ガス１０３を生成し、燃焼ガス１０３をタービン４に供給する。タービン４は燃焼ガス１０３により回転動力が与えられ、タービン４の回転動力が空気圧縮機２及び発電機６に伝達される。空気圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。

ＢＦＧ等の低カロリーガス燃料（低発熱量の燃料ガス）は可燃範囲が狭く燃えにくいため、低カロリーガス燃料単独での運用では、燃焼器の着火が難しい。そのため、ガスタービン燃焼器の着火には軽油等の起動用燃料を用いる。そして負荷併入後、燃料ガスへ燃料を切り替える運転方法を採用する。本実施例のガスタービンは、起動用燃料を供給するための系統２５２と低カロリーガス燃料を供給するための燃料系統２５０を備えている。燃焼器３に供給する起動用燃料は、軽油や灯油、Ａ重油などの液体燃料のほか、ＬＮＧやＣＯＧなどのガス燃料を用いることができる。

一定負荷以上の運転においては、発熱量が異なる複数種類の燃料ガスを組み合わせたものを燃焼器３の燃料として使用する。例えば製鉄プロセスで発生するＢＦＧとＣＯＧを混合した混合燃料ガスなどの低カロリーガス燃料が挙げられる。ＢＦＧやＣＯＧはガスホルダに貯留され、その際の貯留圧力は例えば２.５ＭＰａに設定される。

起動用燃料の燃料系統２５２は、起動用燃料７を昇圧するためのポンプ８、流量調節弁１５、および燃料遮断弁１４を備える。一方、混合燃料ガスを燃焼器へ供給する燃料系統は、混合前の燃料ガス流量を調整する流量調節弁１６，１７、それぞれの流量を計測する流量計３８，３９、各流量調節弁から出た後の燃料ガスを合流させて混合する系統２５１、混合燃料ガス２０１を昇圧するガス圧縮機６０、混合燃料ガスの流量調節弁１９、混合燃料ガスの燃料遮断弁１８などを備える。

ガス圧縮機６０から燃焼器３までの燃料系統２５０には、圧力計３６を設置しており、燃料系統２５０内の圧力を計測できる。また、ガス圧縮機６０によって圧縮された混合燃料ガスの一部を再循環させる戻り系統２５３には、圧力調節弁１１が設けられている。混合燃料ガスの圧力が上昇した場合、圧力調節弁１１の開度を制御することで、混合燃料ガス２０１の一部を戻り系統２５３に逃がし、燃料系統２５０の圧力を一定に保つ。戻り系統２５３には燃料系統２５０から逃がされた混合燃料ガスを冷却するための冷却器４１を設ける。この冷却器４１では、ガス圧縮機６０へ循環する混合燃料ガス２０２をガス圧縮機６０で再度圧縮する際にガス圧縮機６０の耐熱温度を超えない温度となるように冷却される。

本システムにはガスタービン１の停止時に混合ガス燃料２０１やＢＦＧ１１１を焼却するフレアスタック９を設置する。フレアスタック９のパイロットバーナ１０用燃料には、第二のガス燃料よりも発熱量の多い起動用燃料７を用いる。起動用燃料７はポンプ８を用いて加圧され、系統２６０を通り流量調節弁２１，燃料遮断弁２２を介してフレアスタックへ供給される。起動用燃料７とは別に、ガス圧縮機６０で昇圧された混合燃料ガス２０１をフレアスタック９へ供給する系統２６１を持ち、系統２６１には流量調節弁２３、燃料遮断弁２４を備える。さらに、ＢＦＧ１１１をフレアスタック９へ供給する系統２６２を持ち、系統２６２には流量調節弁２５，燃料遮断弁２６を備える。起動用燃料７、混合燃料ガス２０１、およびＢＦＧ１１１を燃焼するための空気はブロア６１からフレアスタック９へ供給される。

次にフレアスタック９の燃料供給位置について、図２を用いて説明する。フレアスタック９には起動用燃料７、混合燃料ガス２０１およびＢＦＧ１１１を供給するノズルを備える。また、ノズルの外周側には燃焼用空気をブロア６１から供給する構造になっている。

本実施例のフレアスタック９は、パイロットバーナ１０用の燃料である起動用燃料７が噴霧されるノズルの外周に混合燃料ガス２０１を供給する構造を持つ。また、本実施例のフレアスタックは、ＢＦＧ１１１が起動用燃料７および混合燃料ガス２０１とは別の位置から供給するような構造を持つ。具体的には、起動用燃料７および混合燃料ガス２０１を供給するノズルよりも、ＢＦＧ１１１を供給するノズルがフレアスタックのガス流れ方向について下流側に設けられている。この構成により、ＢＦＧ１１１は、パイロットバーナ１０の火炎よりも下流に供給することができる。そのため、ＢＦＧ１１１はパイロットバーナ１０で発生する高温の燃焼ガスと混合し、安定して火炎を形成する。

ＢＦＧ１１１にＣＯＧ１１０を添加された混合燃料ガス２０１は水素濃度がＢＦＧ１１１より高く、ガス圧縮機６０で加圧されたことにより温度が上昇するので燃焼性が高い。この燃焼性の高い混合燃料ガス２０１をパイロットバーナ１０の周囲へ供給してもパイロットバーナの燃焼安定性は保たれる。本実施例のフレアスタック９は、パイロットバーナ１０用の燃料である起動用燃料７が噴霧されるノズルの外周に混合燃料ガス２０１を供給する構造を持つ。そうすると、混合燃料ガス２０１を供給して投入熱量を増加させることができるため、その分、起動用燃料７の消費量を低減できる。

一方、ＢＦＧ１１１は発熱量が低く体積流量が大きい。ＢＦＧ１１１をパイロットバーナ１０から離れた位置へ供給することで、燃焼性の低い燃料とパイロットバーナ１０で形成される火炎との干渉を避け、火炎の吹き飛びを抑制する。ＢＦＧの噴射方向はパイロットバーナ１０の燃料供給方向と直交させ、パイロットバーナ１０の火炎で形成される循環流を妨げない位置に設置することが好ましい。これにより供給されたＢＦＧは、パイロットバーナ１０で形成される循環流の形成を妨げることなく燃焼ガスと混合し、安定した火炎を形成する。循環流はパイロットバーナ１０へ吹き込む空気の旋回角や流速によって形成される領域が決まる。そのため、この領域を考慮してパイロットバーナ１０の構造からＢＦＧ１１１の供給位置を設計できる。

パイロットバーナ１０への燃焼用空気の供給には４系統が備えられている。弁２７を介して起動用燃料を噴霧するノズルの外周へ供給される系統と、弁２８を介して混合燃料ガス用ノズルの近傍へ供給される系統と、弁２９を介してＢＦＧ用ノズルの外周へ供給される系統と、弁３０を介してフレアスタック９の出口付近へ供給される系統である。各燃料ノズルから供給される燃料流量に適した燃焼用空気の流量を保つために、弁２７、２８、２９の開度を調節して燃焼用空気量を加減する。ブロア６１からフレアスタック９へ供給される燃焼用空気の圧力を一定に保つために、燃焼用空気の一部は弁３０を介してフレアスタック９の上部に供給され大気中に放出される。

以上の通り、本実施例のガスタービンでは、パイロットバーナ１０よりも下流側に、第一の燃料であるＢＦＧ１１１を噴射するノズルを設けている。ＢＦＧ１１１の燃焼用空気を供給する手段も、パイロットバーナ１０よりも下流側に設けている。このような位置関係とすることで、ＢＦＧ１１１やＢＦＧ１１１の燃焼用空気は、フレアスタック９内で起動用燃料７や混合燃料ガス２０１の燃焼によって生成した高温の燃焼ガスと混合する。そうすると、ＢＦＧ１１１やその燃焼用空気の温度が上昇して燃焼しやすい状態になる。そのため、ＢＦＧの燃焼安定性が向上し、未燃のまま大気中にＢＦＧが放出されることを抑制できる。

上記の構造を有することで、フレアスタック９においてパイロットバーナ１０を失火させることを抑制しつつ、ＢＦＧを安定燃焼させることが可能になる。更に、ガスタービンの停止時において、製鉄所等から生成する低カロリーガス燃料の大気への放出を防止できる。この低カロリーガス燃料には有毒な可燃性ガスである一酸化炭素などが含まれるため、本実施例のガスタービンシステムによれば、環境負荷を低減することが可能である。

本実施例では燃料にＢＦＧ等の低カロリー燃料を用いるガスタービンを緊急停止させることや、部分負荷で運転させるために好適なガスタービンシステムの構成例について説明する。特に、高炉で発生するＢＦＧの全量をガスタービンで消費するように設計されたシステムにおいて、早期にフレアスタックへ余剰のＢＦＧを放出できるシステム構成について説明する。

図３は実施例２に係る、ガスタービンシステムと燃料供給系統の概略を示したものである。実施例１に対し、本実施例のガスタービンシステムは、ガスタービンの空気圧縮機２の中間段から圧縮空気を抽気する系統１０５および弁３１を備え、フレアスタック９の燃焼空気を供給する系統１０４に圧縮空気を送る構成が追加されている。また、フレアスタック９内に熱交換器４０を設け、フレアスタック９内で燃焼によって生じた高温の燃焼ガスによって熱交換器内を通過する空気圧縮機２から抽気された燃焼用空気やブロア６１で供給される燃焼用空気を加熱する構成が追加されている。

ガスタービンの起動中はガスタービンから圧縮空気の一部を抽気して、燃焼用空気としてフレアスタックへ供給する。これにより、ブロア６１の運転が不要となり、ブロアにかかる動力コストを低減できる。

ガスタービンの停止時には弁３１を閉じ、弁３２を開けてブロア側から燃焼用空気を供給する。ブロア側の弁３２を徐々に開け、ガスタービン側の弁３２を閉じることで燃焼空気の圧力を一定に保ち、空気流量の変化を防止する。

次に、図４を用いて、本実施例のフレアスタック９周辺の系統について説明する。

空気圧縮機２から抽気された空気は弁３１を介して系統１０４へ供給される。抽気された空気の一部は弁３５を介してフレアスタック９の上部へ逃がす。ブロア６１から供給する燃焼用空気については弁３２を介してパイロットバーナ１０や第一のガス燃料ＢＦＧ１１１と第二のガス燃料ＣＯＧ１１０との混合燃料ガスを噴射するノズルの外周、ＢＦＧ１１１を供給するノズルの外周へ供給する。また、弁３０を介して燃焼用空気の一部をフレアスタック９の上部へ噴出する系統を持つ。フレアスタック９内の火炎を形成する領域に供給する燃焼用空気の供給量が過剰とならないように、フレアスタック９の上部へ噴出する空気の流量を調整する。このように調整することで、燃焼用空気の過剰供給によるフレアスタック９内での燃焼安定性低下を抑制する。

図４に示すように、本実施例のガスタービンシステムでは、弁２９を通過した空気を、フレアスタック９内に設けられた熱交換器４０に供給する空気供給系統を備えている。熱交換器４０で加熱された空気は、ＢＦＧ１１１を噴射するノズルの外周側に設けられた空気噴射ノズルに、燃焼用空気として供給される。ここで、空気噴射ノズルを外周側に設ける理由は、噴射されたＢＦＧと燃焼用空気の混合を促進するように、燃焼用空気をＢＦＧ１１１に向かって噴射することを可能にするためである。熱交換器４０では、起動用燃料７等の燃焼により生じた高温の燃焼ガスと熱交換させることで、ＢＦＧ１１１の燃焼用空気を加熱している。そうすると、燃焼用空気の温度が高くなり、ＢＦＧ１１１の燃焼安定性が向上する。これにより、ＢＦＧ１１１の失火リスクを低下させることができ、未燃燃料の排出を抑制することが可能である。

弁２９を介して供給される燃焼用空気は熱交換器４０で常に加熱されているため、ガスタービン１の緊急停止時あるいは部分負荷運転時に流量調節弁１７の開度を下げると同時に系統２６２からＢＦＧ１１１をフレアスタック９へ供給しても、燃焼安定性を確保しやすい。したがって、ＢＦＧ１１１を大量に貯留する必要が無いためガスホルダの容積を小さくでき、ガスホルダの建設コストを低減できる。

なお、熱交換器４０は複数設けることが可能であり、上述のＢＦＧ噴射ノズルの外周へ燃焼用空気を供給する系統以外の系統に設けても良い。例えば、図５に示すように、弁２７を介して起動用燃料７を噴霧するノズルの外周へ燃焼用空気を供給する系統の途中に燃焼用空気を加熱するための熱交換器４０を設けても良い。また、図６に示すように、弁２８を介して混合燃料ガス用ノズルの近傍へ燃焼用空気を供給する系統の途中に燃焼用空気を加熱するための熱交換器４０を設けても良い。これらの系統中に熱交換器４０を設けることで、パイロットバーナ１０の失火が抑制される。パイロットバーナ１０が安定して燃焼することで、ＢＦＧ１１１についても安定した燃焼が可能になる。

このように、燃焼用空気の熱交換器４０を設置することで、パイロットバーナ１０での燃焼によって生じる燃焼ガスの温度が低くても、ＢＦＧの燃焼安定性を保つことができる。そのため、パイロットバーナ１０用の起動用燃料７の供給量を減らすことができ、起動用燃料７のランニングコストを削減できる。また、起動用燃料の減少によりパイロットバーナ１０用の燃焼用空気の供給量を減らすことができるので、空気圧縮機２から抽気する空気量を低減でき、ガスタービン１の出力低下を抑制できる。さらに、必要以上に大きなブロア６１を設置する必要をなくせるので、初期コストを低減できる。

以上述べてきたように、本実施例のガスタービンシステムは、ガスタービンの空気圧縮機２の中間段から圧縮空気を抽気する系統１０５および弁３１を備え、フレアスタック９の燃焼空気を供給する系統１０４に圧縮空気を送る構成とを備えている。更に、フレアスタック９内に熱交換器４０を備え、ＢＦＧの噴射ノズル外周へ供給する燃焼用空気を加熱する構成を備えている。

上記の構成を備えることで、フレアスタック９に供給する燃焼用空気を空気圧縮機２から得ることができ、ブロア６１にかかる動力コストを低減できる。更に、熱交換器４０で燃焼用空気を加熱することができ、ＢＦＧ１１１の燃焼安定性が増加する。また、起動用燃料７と燃焼用空気の供給量を低減させることも可能となる。したがって、ＢＦＧ１１１をフレアスタック９へ早期に供給しても十分に燃焼することができる。そして、設置するブロア６１の大きさやガスホルダの容積が最小限に抑えられるため、初期設備コストを下げられる。ゆえに、本実施例に示すガスタービンシステムは、少ない初期設備コストで、製鉄所等で発生し続けるＢＦＧのような低カロリーガス燃料を有効利用しつつ、ガスタービンの停止時にも低カロリーガス燃料の大気への放出が抑制でき、環境負荷を低減できる。

本実施例では、実施例２とは異なる構成であって、燃料にＢＦＧ等の低カロリー燃料を用いるガスタービンシステムを緊急停止させたり部分負荷で運転させたりする際に好適なシステム構成について、その構成例とガスタービン停止時の運転方法の例を説明する。なお、本実施例は、製鉄所における高炉で発生するＢＦＧの反応性を上げることで、フレアスタック内での燃焼安定性を向上させることが可能なシステムに関する。

図７は実施例３に係る、ガスタービンとその燃料流量制御方法の概略を示したものである。本実施例のガスタービンシステムは、系統２６２を通じて、ＢＦＧ１１１をフレアスタック９内に設けられた熱交換器４０に供給できる。熱交換器４０で加熱されたＢＦＧ１１１はフレアスタック９に供給される。このような構成により、フレアスタック９内でＢＦＧ１１１を安定して燃焼させることができる。加熱されることでＢＦＧ１１１の反応性が向上し、火炎の吹き飛びを抑制することができるからである。また、本実施例のガスタービンシステムは、不活性媒体である窒素を供給する手段、窒素を熱交換器４０に供給する系統も備えている。なお、ＢＦＧは水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素などが主成分である。そのため、加熱による燃料重合で生じる炭素やガム状物質などの析出リスクが低く、熱交換器４０での加熱が可能である。

本実施利のガスタービン１の通常運転時には、第一のガス燃料であるＢＦＧ１１１は第二のガス燃料であるＣＯＧ１１０と混合されて燃焼器３の燃料として利用される。一方、ＢＦＧ１１１を熱交換器４０に供給する系統に設けられた遮断弁２６と流量調節弁２５は閉じられており、ＢＦＧ１１１はフレアスタックに供給されない。また、空気圧縮機２から燃焼用空気を抽気して、抽気空気の供給系統１０５から弁３１および弁３４を介して、フレアスタック９内の熱交換器４０へ供給できるよう構成している。これにより、パイロットバーナ１０で発生した燃焼ガスの熱による熱交換器４０の過加熱を抑制し、熱交換器４０を保護できる。

図８を用いて、ガスタービン１の停止時における、本実施例に示すシステムの運転手順を説明する。図８は、フレアスタック９に供給される流体の流量の時間変化を示した図である。縦軸はフレアスタック９に供給される流体の流量を示す。横軸は時間を示し、ガスタービン１の停止信号が発せられた時間を原点としている。

本実施例のシステムにおいては、ガスタービン１が停止した場合、ＢＦＧ１１１は熱交換器４０で加熱されてからフレアスタック９内で焼却される。しかしこの時、過加熱抑制のために空気圧縮機２から供給していた抽気空気が熱交換器４０内に残っていると、加熱されて反応性の高くなったＢＦＧ１１１と空気が混合されて爆発する可能性がある。

そのため、ガスタービンの停止時には、空気が熱交換器４０へ供給されるのを遮断する。時間ａまでかけて、熱交換器４０に空気を供給する系統に設けられている弁３４を徐々に閉じる。弁３４を閉じ始めるのと同時に弁３５を開け、窒素を空気の供給系統の一部を介して供給することで、熱交換器４０内の空気を窒素に置換していく。時間ａになり、弁３４が完全に閉じられることで熱交換器４０への空気の流入量は０となる。

一方、時間ａで弁３５は全開となり、窒素の流入量は固定される。その後、熱交換器４０内に残った空気を完全に窒素で置換するために、時間ｂまでそのまま窒素を供給する。なお、空気を窒素でより確実に置換するには、窒素の供給量を熱交換器の配管内の容積の２倍以上とすることが好ましい。また、弁３５の開放時間を制御装置に備えたタイマなどでセットすることも可能である。そして、時間ｂとなり、熱交換器４０内に残った空気を窒素に置換し終えたら、熱交換器４０にＢＦＧ１１１を供給し始める。このように熱交換器４０内の燃焼用空気を窒素に置換することで、熱交換器４０内にＢＦＧ１１１をした際に空気とＢＦＧ１１１が混合されるのを未然に防ぐことができ、爆発を防止できる。

また、ガスタービン停止後の燃焼用空気を確保するために、ガスタービンを停止する信号を受け次第ブロア６１を起動する。ブロア６１の起動と同時に、弁３１を閉じ、弁３２を開ける。こうして、燃焼用空気をフレアスタック９内に供給する系統１０４を流れる燃焼用空気は、空気圧縮機２から抽気された空気からブロア６１から供給される空気となる。

ガスタービン停止時には、ガスタービンへの燃料供給を止めるために、燃料遮断弁１８と流量調節弁１６および１７が閉じられる。そうすると、ガス圧縮機６０で加圧されたＢＦＧとＣＯＧの混合燃料ガス２０１は、燃料系統２５０内に圧力が高いまま封入される。そこで、ガスタービン１の停止と同時に燃料遮断弁２４を開けて流量調節弁２３を開放していくことで、燃料系統２５０内に封入されている混合燃料ガス２０１は系統２６１を介してフレアスタック９へ徐々に供給される。混合燃料ガス２０１がフレアスタック９に供給されて混合燃料ガス２０１の燃焼が始まると、フレアスタック９内の温度が上昇する。そのため、時間ｃまでは起動用燃料７の供給量を下げていっても、フレアスタック内では安定した燃焼が保たれる。

混合燃料ガス２０１の圧力は圧力計３６で監視する。圧力が徐々に低下して、混合燃料ガス２０１の流量が低下したことを検知したら（時間ｃ）、流量調節弁２１の開度を変え起動用燃料７の流量を増加させる。但しこの際、フレアスタック内にはＢＦＧが供給されているので、フレアスタック内の燃焼ガスの流量はガスタービン１の停止時よりも増加している。燃焼ガスの流量増加によって、熱交換器４０の熱伝達率が上昇するため、ＢＦＧ１１１は温度が上昇した状態でフレアスタック９内に供給される。したがって、時間ｅにおける起動用燃料７の供給量がガスタービン１の停止時の供給量より少なくても、ＢＦＧ１１１の燃焼安定性を保つことができる。

一方、時間ｂから時間ｄまでは、窒素の供給量を下げると同時に遮断弁２６を開放し、流量調節弁２５を徐々に開放する。そうすることで、窒素で満たされていた熱交換器４０内へのＢＦＧ１１１の供給量を増加させる。熱交換器４０で加熱されたＢＦＧ１１１はフレアスタック９のパイロットバーナ１０の下流側に噴射され、焼却される。なお、安定した燃焼を維持するために、ＢＦＧ１１１と窒素の供給量の合計は一定に保つことが望ましい。

上記の通り、本実施例のガスタービンシステムは、ＢＦＧ１１１を熱交換器９で加熱してからフレアスタック９内に噴射する構成を備える。この構成により、ＢＦＧ１１１の反応性が上がり、フレアスタック９内での燃焼安定性を向上させることが可能である。燃焼安定性が向上することで、ガスタービン１の緊急停止時あるいは部分負荷運転時に流量調節弁１７の開度を下げて系統２６２から余剰分のＢＦＧ１１１をフレアスタック９へ供給しても、安定した燃焼が確保できる。したがって、ＢＦＧ１１１を大量に貯留する必要が無くなるのでガスホルダの容積を小さくでき、ガスホルダの建設コストを低減できる。また、ＢＦＧ１１１の燃焼安定性を向上させることで、燃料価格が高い起動用燃料７の供給量を減らすことが可能となり、ランニングコストを抑制できる。さらに、フレアスタック９における失火によるＢＦＧ１１１の大気放出という事態の発生を抑制できる。以上の効果により、安定した運転可能な環境負荷の少ないガスタービンシステムを提供できる。

なお、本実施例１、２および３ではカロリーの異なる燃料の組み合わせとして、第一のガス燃料をＢＦＧ、第二のガス燃料をＣＯＧとして例に挙げて説明しているが、ＢＦＧとＣＯＧの組み合わせ以外であっても適用が可能である。

１ ガスタービン
２ 空気圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
６ 発電機
７ 起動用燃料
８ ポンプ
９ フレアスタック
１０ パイロットバーナ
１１ 圧力調整弁
１４，１８，２２，２４，２６ 燃料遮断弁
１５，１６，１７，１９，２１，２３，２５ 流量調節弁
２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５ 弁
３６ 圧力計
３７ 温度計
３８，３９ 流量計
４０ 熱交換器
４１ 冷却器
５０ 負荷検出器
５１ 流量制御器
６０ ガス圧縮機
６１，６２ ブロア
１０１ 大気空気
１０２ 圧縮空気
１０３ 燃焼ガス
１０４ 燃焼用空気
１０５ 抽気空気
１１０ ＣＯＧガス
１１１ ＢＦＧガス
２０１，２０２ 混合燃料ガス
２５０ 燃料系統
２５１，２５２，２６０，２６１，２６２ 系統
２５３ 戻り系統

Claims (10)

1. 空気を圧縮する空気圧縮機と、
   第一のガス燃料と、第一のガス燃料よりも発熱量の多い第二のガス燃料との混合燃料を昇圧するガス圧縮機と、
   前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で昇圧された前記混合燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するガスタービンと、
   第一のガス燃料を燃焼させるフレアスタックとを有するガスタービンシステムにおいて、
   前記フレアスタックは、前記第二のガス燃料よりも発熱量の多いパイロットバーナ用燃料を燃焼させるパイロットバーナを有し、前記パイロットバーナよりも下流側に、前記第一のガス燃料を噴射する第一燃料噴射手段を有することを特徴とするガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記パイロットバーナの外周側に、第一のガス燃料と第二のガス燃料との混合燃料を供給する混合燃料供給手段を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
3. 請求項１または２に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記第一燃料噴射手段は、前記パイロットバーナ用燃料の噴射方向に直交する方向に前記第一のガス燃料を噴射することを特徴とするガスタービンシステム。
4. 請求項１−３の何れかに記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記フレアスタック内に設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器に空気を供給する空気供給系統と、
   前記熱交換器で加熱された空気を、前記第一燃料噴射手段の外周側から噴射する空気噴射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。
5. 請求項１−３の何れかに記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記フレアスタック内に設けられ、第一のガス燃料を加熱する熱交換器を備え、
   前記熱交換器で加熱された第一のガス燃料を、前記第一燃料噴射手段に供給することを特徴とするガスタービンシステム。
6. 請求項１−３の何れかに記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記フレアスタック内に設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器に前記空気圧縮機から抽気した空気を供給する抽気空気供給系統と、
   前記熱交換器に第一のガス燃料を供給する系統と、
   窒素を供給する窒素供給手段と、
   前記熱交換器に前記窒素供給手段からの窒素を供給する窒素供給系統とを有することを特徴とするガスタービンシステム。
7. 空気を圧縮する空気圧縮機と、第一のガス燃料と、第一のガス燃料よりも発熱量の多い第二のガス燃料との混合燃料を昇圧するガス圧縮機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で昇圧された前記混合燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するガスタービンと、
   前記第二のガス燃料よりも発熱量の多いパイロットバーナ用燃料を燃焼させるパイロットバーナを有し、第一のガス燃料を燃焼させるフレアスタックと、
   を有するガスタービンシステムの運転方法において、
   前記ガスタービンの運転停止時には、前記燃焼器への前記混合燃料の供給を停止させ、前記混合燃料を前記フレアスタックに供給する一方、
   第一のガス燃料を前記フレアスタック内のパイロットバーナの下流に供給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。
8. 請求項７に記載のガスタービンシステムの運転方法において、
   前記ガスタービンの運転時には、前記フレアスタックに設けられた熱交換器に、前記空気圧縮機からの抽気空気を供給し、
   前記ガスタービンの運転停止時には、前記熱交換器に不活性媒体を供給した後、前記熱交換器に第一のガス燃料を供給し、前記熱交換器で加熱した第一のガス燃料を前記フレアスタック内のパイロットバーナの下流に供給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。
9. 請求項１−６の何れかに記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記第一のガス燃料が、ＢＦＧであることを特徴とするガスタービンシステム。
10. 請求項９に記載のガスタービンシステムにおいて、
    前記第二のガス燃料が、ＣＯＧであることを特徴とするガスタービンシステム。

Images