JP5415276B2 - ガスタービンを運転する方法 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、発電プラント工業の分野に関する。本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、特に複合発電プラントで使用されている(据置き式の)ガスタービンを運転するための方法、すなわちガスタービンにより空気を吸い込んで圧縮し、圧縮された空気を、石炭から取得された合成ガスを燃焼させるために燃焼器に供給し、燃焼の際に発生した高温のガスを、後続のタービンで、仕事もしくは作業の実行下に膨張させ、しかも圧縮された空気の一部を酸素と窒素とに分解し、酸素を、石炭ガス化設備で、合成ガスを発生させるために使用する形式の方法に関する。さらに本発明は該方法を実施するためのガスタービンに関する。
背景技術
再熱式のガスタービン(reheat gas turbine)が知られている(たとえば米国特許第5577378号明細書または「State-of-the-art gas turbines-a brief update」、ABB Review 02/1997, Fig.15, Turbinentyp GT26参照)。このようなガスタービンはフレキシブルな、つまり自在な運転を、極めて低い排ガスエミッション値と組み合わせている。
タイプGT26のガスタービンの機械アーキテクチャは無類であり、本発明の対象となるコンセプトを実現するために好適である。その理由としては以下のことが挙げられる:
−圧縮機において既に、中間の圧縮機圧力での圧縮機空気の、重要な分岐が存在する、
−シーケンシャル燃焼のコンセプトにより、酸素過剰量の減じられた値において燃焼の高められた安定性が可能となり、
−圧縮機から空気を分岐させ、冷却し、冷却された空気を燃焼器およびタービンの冷却のために使用することを可能にする二次空気システムが存在する。
図1には、公知の再熱式のガスタービンの原理が図示されている。コンバインドサイクル、つまり複合発電プラント10の一部であるガスタービン11は、1つの共通の軸15に配置されて直列接続された2つの圧縮機、つまり低圧圧縮機13および高圧圧縮機14と、2つの燃焼器、つまり高圧燃焼器18および再熱燃焼器19と、所属のタービン、つまり高圧タービン16および低圧タービン17とを有している。軸15は発電機12を駆動する。
このプラントの作業形式は以下の通りである:空気流入部20を介して低圧圧縮機13により空気が吸い込まれる。この空気はまず中間圧力レベル(約20バール)にまで圧縮される。次いで、高圧圧縮機14により、この空気は引き続き高圧レベル(約32バール)にまで圧縮される。冷却空気は中間圧力レベルでも、高圧レベルでも分岐されて、対応するOTC(OTC=Once Through Cooler)冷却器23,24内で冷却され、そして引き続き冷却管路25,26を介して冷却のために燃焼器18,19およびタービン16,17へ案内される。高圧圧縮機14からの残りの空気は高圧燃焼器18へ案内されて、この高圧燃焼器18において燃料供給部21を介して供給された燃料の燃焼により加熱される。発生した排ガスは次いで、後続の高圧タービン16において作業出力下に所定の中間圧力レベルにまで膨張させられる。膨張後に、排ガスは再熱燃焼器19において、燃料供給部22を介して供給された燃料の燃焼によって再び加熱され、その後でこの排ガスは後続の低圧タービン17において別の作業出力下に膨張させられる。
冷却管路25,26を通って流れる冷却空気は両燃焼器18,19および両タービン16,17の適当な個所でノズル供給され、これにより材料温度は許容し得る程度に制限される。低圧タービン17から到来した排ガスは排熱回収式蒸気発生装置(HRSG= Heat Recovery Steam Generator)27に通され、これにより蒸気が発生させられる。この蒸気は水・蒸気循環路内で蒸気タービン29を通って流れて、この蒸気タービン29において別の作業もしくは仕事を実施する。排熱回収式蒸気発生装置27を通流した後に、排ガスは最終的に排ガス管路28を通って外部へ送出される。OTC冷却器23,24は水・蒸気循環路の一部である。すなわち、OTC冷却器23,24の出口には、過熱された蒸気が発生させられる。
両燃焼器18,19における、互いに独立した別個の連続した両燃焼により、運転時における大きな自在性が達成される;燃焼器温度は、存在する範囲内で最大の効率が達成されるように調節され得る。シーケンシャルな燃焼システムの低い排ガス値は、固有(inhaerent)の低いエミッション値により与えられている。このエミッション値は中間過熱時もしくは再熱時に達成可能である(特定の条件下では第2の燃焼はそれどころかNOx消費をもたらす)。
他方において、ガスタービンにおける単段式の燃焼を有する複合発電プラントが知られている(たとえば米国特許出願公開第4785622号明細書または米国特許第6513317号明細書)。このような複合発電プラットには、空気分解設備(Air Separation Unit ASU参照)により酸素を供給される石炭ガス化設備が組み込まれており、これによりガスタービンのために必要とされる燃料が、石炭から獲得された合成ガスの形で提供される。このような複合発電プラントは統合されたガス化複合サイクルもしくはIGCCプラント(IGCC= Integrated Gasification Combined Cycle)と呼ばれる。
本発明は、図1に示した再熱式のガスタービンをIGCCプラントにおいて使用することにより、このタイプのガスタービンの利点を前記プラントのために特に有効に利用することができるということを認識することから出発する。
空気分解設備が組み込まれず、かつ希薄化されていない燃料が燃焼され得ると、IGCCプラントの運転時における極めて高い自在性および効率を達成することができる。このことは、図1に示した再熱式のガスタービンによって実現され得る。それと同時に、NOxコントロールの択一的なコンセプトに基づき、エミッションは低く保持される。このような過程は再熱の利点を得る。
IGCCプラントへのガスタービンの組込みは、図2に示したように典型的には圧縮機にも燃焼器にも影響を与える。すなわち、図2に示した複合発電プラント30はガスタービン11を有しており、このガスタービン11は低圧圧縮機13と、後続の高圧圧縮機14と、高圧燃焼器18および後続の高圧タービン16と、再熱燃焼器19および後続の低圧タービン17とを備えている。両圧縮機13,14および両タービン16,17は1つの共通の軸15に装着されている。この軸15によって発電機12が駆動される。両燃焼器18,19には、合成ガス供給管路31を介して燃料である合成ガスが供給される。この合成ガスは石炭ガス化設備34における石炭(石炭供給部33)のガス化により発生させられる。石炭ガス化設備34には、合成ガスのための冷却装置35と、清浄化設備36と、CO分離器37とが後置されている。CO分離器37は分離されたCOを送出するためのCO出口38を備えている。
石炭ガス化設備34における石炭ガス化のためには、酸素(O)が使用される。この酸素は空気分解設備32において取得されて、酸素管路32aを介して供給される。空気分解設備32は低圧圧縮機13の出口から圧縮された空気を得る。分解時に同じく発生した窒素(N)は、たとえば合成ガスを希薄化するために窒素管路32bを介して低圧燃焼器19(および/または高圧燃焼器18)に供給される。
両燃焼器18,19および両タービン16,17の、熱ガスにより負荷されたコンポーネントを冷却するためには、両圧縮機13,14の出口において、圧縮された冷却空気が取り出され、後置されたOTC冷却器23;24において冷却され、次いで、相応する冷却管路25,26を介して、冷却したい個所に供給される。
低圧タービン17の出口には、排熱回収式蒸気発生装置27が配置されている。この排熱回収式蒸気発生装置27は接続された蒸気タービン29と共に水・蒸気循環路の一部を成している。排熱回収式蒸気発生装置27から流出した排ガスは排ガス管路28を介して外部へ放出される。
ガスタービンのこのような組込みもしくは統合化により、以下のことがもたらされる:
−燃焼器を介して付与された燃料質量流を補償するために、圧縮機からの空気が空気分解設備のために分岐される;
−NOxの発生をコントロールするために、窒素(N)が合成ガス燃料(CO富含の燃料およびH富含の燃料)の希薄化のために付与される。
基本的に、合成ガス燃料の投入時には、NOxをコントロールするための2つの手段が存在する:
−実際に使用されている一般的な手段として、ガス化の後に、空気分解設備からのNを用いて燃料を希薄化することにより、CO富含の合成ガス燃料およびあとからのH富含の合成ガス燃料におけるNOxレベルをコントロールする(図2参照)、
−N希薄化に対する択一的な手段として、火炎温度を低下させるか、または後バーナまたは再熱の場合には燃焼の第2段において流入温度を低下させる。
再熱式のガスタービンのために可能となるこのような択一的な手段は、出力を著しく損なうことなしにNOxの発生をコントロールする機会を提供する。
発明の開示
本発明の課題は、出力および運転自在性の著しい損失なしにNOxエミッションを減少させる点ですぐれているような、石炭ガス化設備と協働するガスタービンを運転するための方法を提供することである。
この課題は、請求項1の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明にとって重要となるのは、2つの燃焼器と2つのタービンとを有する、再熱式のガスタービンを使用し、第1の燃焼器で、圧縮された空気の使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第1のタービンで膨張させ、第2の燃焼器で、第1のタービンから到来したガスの使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第2のタービンで膨張させ、両燃焼器を、希薄化されていない合成ガスによって運転し、ガスタービンの第1の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて低下させ、しかも第2の燃焼器を十分に、天然ガスのために設計された標準運転で運転することである。
本発明による方法の実施態様は、燃料として、CO富含の合成ガスを使用し、ガスタービンの第1の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて50〜100Kだけ低下させることにより特徴付けられている。
本発明による方法の別の実施態様は、燃料として、H富含の合成ガスを使用し、ガスタービンの第1の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて100〜150Kだけ低下させることにより特徴付けられている。
公知先行技術による、再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のガスタービンの複合発電プラントを示す回路図である。 再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のIGCCプラントの回路図であり、この場合、空気分解時に取得された窒素が、合成ガスの希薄化のために使用される。 再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のIGCCプラントの回路図であり、この場合、本発明により希薄化されていない合成ガスが燃料として使用され、第1の燃焼器内の火炎温度が、NOxエミッションの低減のために減少される。
発明を実施するための形態
図3には、本発明により運転される、再熱もしくはシーケンシャルな燃焼を有するガスタービンを備えた統合されたガス化複合サイクルもしくはIGCCプラントの概略的な回路図が示されている。図2に示した構成の場合と同一のプラント構成部分に関しては、図2の場合と同じ符号が使用されている。空気分解設備32において生じた窒素(N)は、もはや燃料として使用される合成ガスの希薄化のためには使用されない。合成ガスは希薄化されずに燃焼器18,19に供給される。このためには、第1の燃焼器18において、火炎温度Tが、標準の天然ガス運転時に生ぜしめられる温度TNGに比べて低下され、それに対して第2の燃焼器19では、天然ガス運転のために設定された公称(nominal.)火炎温度TNGが維持される。第1の燃焼器18内の火炎温度を低下させることにより、重大となる出力損失が生じることなしにNOxの発生をコントロールすることができる。すなわち、再熱もしくはシーケンシャル燃焼なしのガスタービンでは、(唯一つの)燃焼器内の火炎温度を100゜だけ低下させることにより、10%の出力減少および1%の効率減少が生ぜしめられるのに対して、シーケンシャル燃焼を有するガスタービンの第1の燃焼器内の火炎温度を低下させても、約1%の出力減少および0.1%の効率減少しか生ぜしめられない。
第1の燃焼器18内の火炎温度Tを低下させる量は、使用される合成ガスの種類に左右される:
CO富有の合成ガスを有するIGCCプラントの場合、以下に挙げる状況が生ぜしめられる:
−第1の燃焼器18内の火炎温度Tは、天然ガス運転に比べて50〜100Kだけ低下される。
−第2の燃焼器19は公称火炎温度で運転されるが、ただし第1の燃焼器内の減じられた火炎温度に基づき生ぜしめられる、より低い流入温度で運転される。
−これにより、窒素を用いた合成ガスの希薄化なしに両燃焼器18,19の運転が可能となり;希薄化されていない合成ガスの低位発熱量(Low Heating Value LHV)は12〜14(MJ/kg)のオーダにあり;希薄化された合成ガス燃料は5〜7(MJ/kg)のオーダの低位発熱量を有する。
−第1の燃焼器18だけが、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度を用いて運転されるという事実に基づき、第2の燃焼器は変更されずに、天然ガス運転のために設定された火炎温度を用いて運転されるので、タービン流出温度(第2のタービン17の)は天然ガス運転時と同じ温度となる。したがって、IGCCプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の損失は生ぜしめられない。このことは、火炎が、流出条件の代わりに流入条件によってコントロールされる再熱式のガスタービンの特殊な特性である。
−それに対して、再熱なしのガスタービンでは、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度により、タービン流出温度の著しい減少が生ぜしめられる。このようなタービン流出温度の減少は天然ガス運転に比べてIGCCプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の著しい損失を招く原因となる。
−したがって、当該プラントは以下の利点を持って運転され得る:
IGCCプラントの運転時におけるできだけ大きな自在性およびできるだけ大きな効率が得られる;空気分解設備32は組み込まれていなくてもよく、燃料は窒素によって希薄化されなくてよい。
NOxの発生をコントロールするために、希薄化されていないCO富含の燃料の燃焼時に火炎温度の僅かな減少で十分となる。
天然ガスに合わせて設計されたガスタービンの圧縮機およびタービンの機械的な設計の変更が必要とならない。合成ガスの希薄化が存在しないことにより、希薄化された合成ガスに比べて天然ガスと、希薄化されていない合成ガスとの間の発熱量差が小さくなる。
ガスタービンのための運転コンセプトが簡単でかつフレキシブルとなる。
空気分解設備32の組込みが存在しないことに基づき、プラント全体の運転がフレキシブルになる。
ガスタービンの不変の流出温度が、IGCCプラントのための高い出力および高い効率をもたらす。
CO分離のためのCOシフト反応を有するH富含の合成ガスを有するIGCCプラントの場合には、以下に挙げる状況が生ぜしめられる:
−第1の燃焼器18内のHを有する運転時における火炎温度Tは、天然ガス運転に比べて100〜150Kだけ低下される。
−第2の燃焼器19は天然ガス運転のための公称火炎温度で運転される。
−これにより、両燃焼器18,19の運転が、窒素を用いた合成ガスの希薄化なしに可能となる;Hの低位発熱量は30〜35(MJ/kg)のオーダにあり;アシスト燃料および希薄化されていないHの低位発熱量は同じオーダにあり、このことはタービンおよび圧縮機の、あまり問題にはならない誤適合しかもたらさない。
−希薄化されたH燃料は6〜9(MJ/kg)のオーダの低位発熱量を有している。
−第1の燃焼器18だけが、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度で運転されるという事実に基づき、ガスタービンのタービン流出温度は天然ガス運転時と同じ温度である。したがって、IGCCプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の損失は生ぜしめられない。
−それに対して、再熱なしのガスタービンでは、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度により、タービン流出温度の著しい減少が生ぜしめられる。このようなタービン流出温度の著しい減少は、天然ガス運転に比べてIGCCプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の著しい損失を招く原因となる。
−したがって、このプラントは以下に挙げる利点を持って運転され得る:
IGCCプラントの運転時におけるできだけ大きな自在性およびできるだけ大きな効率が得られる;空気分解設備32が組み込まれていなくてもよく、燃料は窒素によって希薄化されなくてよい。
当該プラントの製作ならびに運転および保守のためにかかるコストが減少する。Nを圧縮するための装備が必要とならない。
NOxの発生をコントロールするために、希薄化されていないH燃料の燃焼時に火炎温度の僅かな減少で十分となる。
天然ガスに合わせて設計されたガスタービンの圧縮機およびタービンの機械的な設計の変更が必要とならない。合成ガスの希薄化が存在しないことにより、希薄化された合成ガスに比べて天然ガスと、希薄化されていない合成ガスとの間の発熱量差が小さくなる。
ガスタービンのための運転コンセプトが簡単でかつフレキシブルとなる。
空気分解設備32の組込みが存在しないことに基づき、プラント全体の運転がフレキシブルになる。
ガスタービンの不変の流出温度が、IGCCプラントのための高い出力および高い効率をもたらす。
空気分解設備の組込みが存在しないことに基づき、当該プラントの運転はフレキシブルとなり、一層迅速に始動させることができる。
完全に組み込まれていない空気分解設備の、上で説明したコンセプトのための前提条件は、ガスタービンの両燃焼器において、希薄化されていない石炭ガスを使用することができることである。
ガスタービンの燃焼器における、このような希薄化されていない石炭ガスの燃焼のための、主要な技術的要求は以下の通りである:
−低いエミッション値の達成、
逆火および脈動の範囲に対する十分な間隔、
石炭ガスの品質変動時の運転自在性の維持およびアシスト燃焼(天然ガスまたはオイル)の使用可能性、
燃焼器およびタービンの熱ガス範囲への冷却空気の流出および戻し案内。
再熱式のガスタービンは合成ガス使用時にこれらの要求に、以下に挙げる理由から特に良好に応えることができる:
1.再熱式のガスタービンにとって特有であるのは、NOxエミッションにおける利点であり、この利点は両燃焼器内での燃焼温度の最適な選択を介して合成ガス使用に転用され得る。
2.再熱式のガスタービンの燃焼安定性および運転自在性は、単段式の燃焼を有する比較可能な機械におけるよりも大きい。運転範囲は、与えられた火炎温度において典型的には消火および逆火および/またはエミッションレベルにより与えられており、このことは燃料品質および燃料反応性の許容された範囲をもたらす。再熱式のガスタービンでは、このような運転範囲が著しく拡張されている。なぜならば、2つの燃焼システムが、互いに異なるもしくは互いに別個の2つの火炎温度を有する運転を可能にする、すなわち第1の段における低い温度と、第2の段における高い温度とを有する運転を可能にし、しかもNOxエミッションに関する極めて小さな不都合が伴うだけであるからである。
3.希薄化性のNが、典型的には>30バールの圧力もしくは15〜20バールの範囲で動作する第1の燃焼システムおよび第2の燃焼システム内に注入されない場合に、ガス圧に対する要求を最小限に抑えることができる。
10,30 複合発電プラント
11 ガスタービン
12 発電機
13 低圧圧縮機
14 高圧圧縮機
15 軸(ガスタービン)
16 高圧タービン
17 低圧タービン
18 燃焼器(高圧燃焼器)
19 燃焼器(再熱燃焼器)
20 空気流入部
21,22 燃料供給部
23,24 OTC冷却器
25,26 冷却管路
27 排熱回収式蒸気発生装置
28 排ガス管路
29 蒸気タービン(蒸気循環路)
31 合成ガス供給管路
32 空気分解設備
32a 酸素管路
32b 窒素管路
33 石炭供給部
34 石炭ガス化設備
35 冷却装置
36 清浄化設備
37 OC分離器
38 CO出口

Claims (3)

  1. 複合発電プラント(30)で使用されているガスタービン(11)を運転する方法であって、ガスタービン(11)により空気を吸い込んで圧縮し、圧縮された空気を、石炭から取得された合成ガスを燃焼させるために燃焼器(18,19)に供給し、燃焼の際に発生した高温のガスを、後続のタービン(16,17)で膨張させ、しかも圧縮された空気の一部を酸素と窒素とに分解し、酸素を、石炭ガス化設備(34)で、合成ガスを発生させるために使用する形式の方法において、
    2つの燃焼器(18,19)と1つの共通の軸(15)に装着された2つのタービン(16,17)とを有する、再熱式のガスタービン(11)を使用し、第1の燃焼器(18)で、圧縮された空気の使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第1のタービン(16)で膨張させ、第2の燃焼器で、第1のタービン(16)から到来したガスの使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第2のタービン(17)で膨張させ、
    両燃焼器(18,19)を、希薄化されていない合成ガスによって運転し、
    ガスタービン(11)の第1の燃焼器(18)内の火炎温度(T)を、天然ガス運転時に生じる公称火炎温度(TNG )に比べて低下させ、第2の燃焼器(19)を、前記公称火炎温度(TNG)で運転する、
    ことを特徴とする、ガスタービンを運転する方法。
  2. 燃料として、CO富含の合成ガスを使用し、ガスタービン(11)の第1の燃焼器(18)内の火炎温度(T)を、天然ガスを用いた運転に比べて50〜100Kだけ低下させる、請求項1記載の方法。
  3. 燃料として、H富含の合成ガスを使用し、ガスタービン(11)の第1の燃焼器(18)内の火炎温度(T)を、天然ガスを用いた運転に比べて100〜150Kだけ低下させる、請求項1記載の方法。
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