JP5836645B2 - 煙道ガス再循環を備えるコンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

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Description

本発明は、煙道ガス再循環を備えるコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法及びこの方な方法を実施するためのプラントに関する。
近年、温室効果ガスの発生が温暖化につながり、温室効果ガス発生のさらなる増大は地球温暖化を加速させることが明らかになっている。ＣＯ2（二酸化炭素）は主たる温室効果ガスとして認められ、ＮＯｘは、対流圏にオゾンを発生することによって間接的な温室効果ガスとして温室効果に著しく寄与すると考えられている。従って、ＣＣＳ（炭素捕捉及び貯蔵）と、ＮＯｘ排出の低減とは、地球温暖化を低減しかつ制御するための潜在的な主要な手段であると考えられている。
ＮＯｘ排出の低減は、煙道ガスの触媒浄化によって、又は、好適には燃焼中のＮＯｘ発生の低減によって行われる。
発電プラント効率を高めるために、より高い高温ガス温度のための継続的な努力がなされてきた。しかしながら、燃焼温度が高くなると、ＮＯｘ排出も増大する。この効果に対抗するために、煙道ガス再循環が提案されている。
ＣＣＳは、ＣＯ2捕捉、圧縮、搬送及び貯蔵のプロセスとして定義される。捕捉は、ＣＯ2が、炭素ベースの燃料の燃焼後に煙道ガスから除去されるプロセス、又は燃焼前の炭素の除去及び処理として定義される。煙道ガス又は煙道ガス流からＣＯ2を除去するための、あらゆる吸収剤、吸着剤又はその他の手段の再生は、捕捉プロセスの一部であると考えられている。
バックエンドＣＯ2捕捉又はポスト燃焼捕捉は、ＣＣＰＰ（コンバインドサイクル発電プラント）を含む化石燃料発電プラントのための商業的に期待される技術である。ポスト燃焼捕捉において、ＣＯ2は煙道ガスから除去される。残りの煙道ガスは大気中へ放出され、ＣＯ2は搬送及び貯蔵のために圧縮される。吸収、吸着、膜分離、及び低温分離等の、煙道ガスからＣＯ2を除去するために知られている複数の技術がある。ポスト燃焼捕捉を備える発電プラントは、本発明の主体である。
ＣＯ2捕捉のための全ての公知の技術は、比較的大きな量のエネルギを必要とする。慣用のＣＣＰＰの煙道ガスにおけるわずか約４％の比較的低いＣＯ2濃度により、ＣＯ2捕捉システム（ＣＯ2捕捉プラント又はＣＯ2捕捉機器とも呼ばれる）は、比較的より高いＣＯ2濃度を有する石炭だきプラント等の他のタイプの化石発電プラントの場合よりも、捕捉されたＣＯ2のｋｇ当たりでコストが高くエネルギ消費も多い。
ＣＣＰＰ煙道ガスにおけるＣＯ2濃度は、燃料組成、ガスタービンの形式及び負荷に依存し、実質的にガスタービンの運転条件に依存して変化する。ＣＯ2濃度のこの変化は、ＣＯ2捕捉システムの性能、効率及び操作性にとって不利である恐れがある。
ＣＣＰＰの煙道ガスにおけるＣＯ2濃度を高めるために、２つの主な概念が知られている。１つは、ガスの再循環であり、これは例えばO.Bolland及びS.Saetherによって、"NEW CONCEPTS FOR NATURAL GAS FIRED POWER PLANTS WHICH SIMPLIFY THE RECOVERY OF CARBON DIOXIDE"(Energy Convers. Mgmt Vol.33, No.5-8, pp467-475,1992)に記載されている。もう１つは、プラントの連続配列であり、この場合、第１のＣＣＰＰの煙道ガスは冷却され、第２のＣＣＰＰのための入口ガスとして使用され、第２のＣＣＰＰの煙道ガスにおける増大したＣＯ2を備えた煙道ガスを得る。このような配列は、例えば米国特許出願公開第２００８／００６０３４６号明細書に記載されている。これらの方法は、周囲へ放出される煙道ガスの総量を低減し、ＣＯ2濃度を増大し、これにより、吸収器の所要の流れ容量と、捕捉システムの電力消費と、捕捉システムのための支出とを低減し、ＣＯ2システムの効率を高める。しかしながら、煙道ガス再循環は、ガスタービンの入口ガスにおける酸素濃度を低減し、燃焼に影響する。ＮＯｘ排出に対する好ましい影響の他に、低減された酸素濃度は、不完全な不安定の燃焼につながり、極めて望ましくない高いＣＯ排出を生じる恐れがある。
火炎安定性を高めるために、火炎に、制御された不均一性を与えるための手段が知られている。例えば、欧州特許第１２９２７９５号明細書に記載されているようなパイロット化、多段化、多段予混合噴射があり、又は米国特許第７４８４３５２号明細書に記載されているような種々異なるバーナグループに個々の燃料流を供給することが知られている。
米国特許出願公開第２００８／００６０３４６号明細書 欧州特許第１２９２７９５号明細書 米国特許第７４８４３５２号明細書
O.Bolland,S.Saether,"NEW CONCEPTS FOR NATURAL GAS FIRED POWER PLANTS WHICH SIMPLIFY THE RECOVERY OF CARBON DIOXIDE"(Energy Convers. Mgmt Vol.33, No.5-8, pp467-475,1992)
本発明の主な課題は、煙道ガス再循環を備えるガスタービンと、１つの熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、１つの蒸気タービンとが設けられたコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）のための低ＣＯ排出及び低ＮＯｘ排出運転方法、及びこの方法に従って運転するように設計されたプラントを提供することである。
１つの課題は、安定した、クリーンな燃焼を維持しながら高い煙道ガス再循環率を許容し、かつ煙道ガス再循環運転のためのフレキシブルな運転方法を提供することである。
本発明の本質は、ＣＯのバーンアウト、すなわちＣＯ2を形成するための酸素とのＣＯの反応は、高い燃焼圧力と、ＮＯｘ排出に対する、燃焼器の入口ガスの低い酸素含有量の好ましい影響とによって、促進されるという発見を利用することである。これは、高い火炎温度における運転を許容し、安定した燃焼及び低いＮＯｘ排出を伴う。これらの効果を利用するために、ガス再循環率及び／又は燃焼圧力に関連して制御される不均一性を火炎に与えることによって火炎安定性が高められるような運転方法が提案される。煙道ガス再循環率ｒFRGは、ガスタービンの煙道ガス質量流量の合計に対する、圧縮機入口へ再循環される、ガスタービンからの煙道ガス質量流量の比として定義される。煙道ガス再循環のＮＯｘ低減効果と組み合わせて、これは、安定した火炎を維持しながら低いＮＯｘ及び低いＣＯ排出につながる運転方法を可能にする。
制御された不均一性を与えるための手段は、例えば、パイロット化又は多段化である。
パイロット化は、拡散火炎を備えた予混合された火炎の安定化であり、パイロット比は、燃焼器のバーナ内に噴射される燃料ガス質量流量の合計に対する、パイロット火炎において燃焼される燃料ガスの比である。
多段化のためには、２つの方法が提案される。第１の方法は、バーナ内への段階付けされた予混合されたガス噴射による安定化である。この方法では、少なくとも２つの予混合された燃料／酸化剤ガス混合物が、異なる位置において予混合バーナ内へ噴射されかつ／又は異なる燃料濃度を有する予混合された燃料／酸化物ガス混合物が予混合バーナ内へ噴射される。この方法及び対応するバーナは、煙道ガス再循環を備えない慣用のガスタービンに関して、欧州特許第１２９２７９５号明細書に詳細に説明されている。
第２の方法は、燃焼器のバーナを、共通の主燃料源を有する少なくとも２つのバーナグループにグループ分けすることによる安定化である。この方法では、各バーナグループへの燃料流は、環状の燃焼器における周方向のバーナの間で有効に段階付けするように制御され、例えば、１つのグループのバーナに噴射されるバーナ特定燃料は、他のグループのバーナに噴射されるバーナ特定燃料とは異なる。この方法及び対応する燃焼器は米国特許第７４８４３５２号明細書に記載されている。
バーナ多段化比は、予混合された噴射位置の１つの部分に送られる燃料空気混合物の当量比と、バーナの全体の当量比との比として定義される。
グループ−多段化比は、燃焼器の全てのバーナの平均当量比に対する、バーナの１つのグループにおいて達せられる当量比の比として定義される。
欧州特許第１２９２７９５号明細書及び米国特許第７４８４３５２号明細書は両方とも引用したことにより本願明細書に記載されたものとする。
パイロット化、多段予混合噴射、及びバーナの多段グループ分けは、別個の手段として又は組み合わせて行うことができる。以下では、火炎に制御された不均一性を与えるためのこれらの及びその他の手段は、単に、与えられた燃焼不均一性と呼ばれる。対応するパイロット比又は多段化比又は両者の組合せは、与えられた燃焼不均一比と呼ばれる。
ＣＯ及びＮＯｘ排出に影響する別の要因は、燃焼温度又は高温ガス温度である。より改良されたアプローチでは、課された燃焼不均一性比は、燃焼圧力及び／又は煙道ガス再循環率及び高温ガス温度に関連して与えられる。
例えば適切な冷却空気圧力として、燃焼圧力に比例した圧縮機出口圧力又は別の圧力を、燃焼圧力に代わりに使用することができる。通常、測定するのが容易であるため、圧縮機出口圧力が使用される。さらに、圧縮機出口温度は、圧力比に比例しており、従って使用することもできる。圧縮機出口温度を使用する場合、通常、周囲温度に応じて修正される。
１つの実施の形態において、燃焼圧力及び／又は高温ガス温度に関連した、許容可能な与えられた燃焼不均一性を提供する制御範囲が提案される。課された燃焼不均一性比のための目標値は、燃焼圧力及び／又は高温ガス温度に関連して計算される。実際の煙道ガス再循環率は、精密制御によって修正され、この精密制御は、ＣＯ排出量に応じて煙道ガス再循環率を調節する。ＣＯ排出量は、この制御方法のためにオンラインで測定される。
１つの実施の形態において、課された燃焼不均一性比を調節するために、二点制御が使用される。ＣＯ排出量が第１のしきい値を超えると、課された燃焼不均一性比が減じられる。ＣＯ2排出量が第２のしきい値よりも低下すると、課された燃焼不均一性比は増大される。しきい値の代わりに、課された燃焼不均一性比の所要の修正を計算するために使用される、課された燃焼不均一性比の修正関数を使用することもできる。修正関数は、燃焼圧力に基づき計算された目標再循環率と、ＣＯ排出量を所望のレベルにもたらすために必要とされる実際の課された燃焼不均一性比とのオフセットを提供する。ＣＯ排出量と目標ＣＯ排出値との差に比例するオフセットを提供する単純な比例制御を、修正のために使用することができる。別の実施の形態において、しきい値又は修正関数は、ＣＣＰＰの相対負荷にも依存している。
選択肢として、煙道ガスの測定された未燃炭化水素排出量に関連する、課された燃焼不均一性比が、提案される。ＣＯ排出量に関連する制御と同様に、二点制御を使用することができる。択一的に、やはりＣＯ制御と同様に、未燃炭化水素排出量に応じた、再循環率の修正関数を使用することもできる。修正関数は、燃焼圧力に基づき計算された目標再循環率と、未燃炭化水素排出量を所望のレベルにするために必要とされる実際の課された燃焼不均一性比とのオフセットを提供する。通常、未燃炭化水素排出量と目標の未燃炭化水素排出値との差に比例するオフセットを与える単純な比例制御を、修正のために使用することができる。別の実施の形態において、しきい値又は修正関数は、ＣＣＰＰの相対負荷にも依存している。
同様に、課された燃焼不均一性比を、ＮＯｘ排出量に関連して制御することができる。
さらに、圧縮機入口ガスに残っている実際のＯ2濃度は、燃焼プロセスに対する著しい影響を有しており、課された燃焼不均一性比を調節するために使用することができる。入口空気におけるＯ2濃度を制御パラメータとして使用する代わりに、燃焼器入口における煙道ガスＯ2濃度の評価を許容する、別のガス流におけるＯ2及び／又はＣＯ2の使用が可能である。例えば、タービンの煙道ガスにおけるＣＯ2濃度を使用することができる。さらに、再循環される煙道ガスにおける残留酸素濃度又は冷却空気流における酸素濃度を使用することができる。これらの濃度の組合せの使用も可能である。
これらのパラメータのための最適な目標値は、特定のプラント設計に依存しており、周囲条件及びプラント負荷に関連している。全体効率に対するそれらの影響は、プラントの運転条件に依存する。
所要のＯ2濃度は燃焼圧力及び温度に依存する。従って、所要のＯ2濃度は、燃焼圧力及び／又は高温ガス温度に関連して計算することもできる。この所要のＯ2濃度に基づき、煙道ガス再循環率は、ガスタービンの入口流体が所要のＯ2濃度を有するように制御することができる。
課された燃焼不均一性比において、最大再循環率はしばしば、安定した完全燃焼のために必要とされる酸素濃度によって制限される。ここで言う安定した完全燃焼とは、ＣＯ及び未燃炭化水素排出量が、ｐｐｍのオーダ又は一桁のｐｐｍであるような、ＣＯ及び未燃炭化水素排出量のために設定された所要レベルよりも低く、燃焼脈動が通常設計値の範囲にあることを意味する。排出量レベルは、保証値によって通常規定されている。脈動のための設計値は、ガスタービン、運転箇所、燃焼器設計、及び脈動周波数に依存する。設計値は、燃焼圧力の１０％よりも十分に低くなっているべきである。通常、設計値は、燃焼圧力の１又は２％未満である。１つの実施の形態において、再循環率は、脈動に応じて調節又は精密調整される。例えば、再循環率のための目標値は、圧縮機出口圧力又は圧縮機圧力比に基づいて計算される。目標値は、高い燃焼脈動のためには低減され、極めて低い燃焼脈動においては増大される。これらの調節は、通常、圧力依存目標値の周辺の範囲内でのみ許容及び実施される。
運転柔軟性を高めかつ課された燃焼不均一性比におけるより高い再循環率を許容し、また、ベース負荷及び部分負荷における煙道ガスにおけるＣＯ2濃度をさらに増大するために、別の実施の形態において、圧縮機入口ガスの酸素富化が提案される。このために、酸素又は酸素富化空気がガスタービンの圧縮機入口ガスに混合される。１つの実施の形態において、酸素の混合は、圧縮機出口圧力に反比例する。
第１の近似において、捕捉システムの比エネルギ消費は、煙道ガスのＣＯ2濃度に比例する。これに関して、捕捉システム比エネルギ消費は、煙道ガスからＣＯ2の１つの質量単位を除去するために必要とされるエネルギとして定義される。煙道ガスにおけるＣＯ2濃度は再循環率に比例するので、最適化目標は、高い再循環率である。
より高い再循環率は、ＣＯ2濃度を高めるだけでなく、ＣＯ2捕捉システムを流過する煙道ガス質量及び体積流量の減少にもつながる。より低い流量は、システムの圧力降下をも低減し、このことは、全体の性能にとって有利であるか又はより小さな、よりコストの低い機器の使用を許容する。設計条件下でのベース負荷において、煙道ガス再循環率は最大化される。煙道ガス再循環率は、ガスタービンの運転のために必要とされる最大酸素濃度によって制限される。典型的な再循環率は、ベース負荷運転の場合に３０％〜５０％のオーダである。
ガスタービンの部分負荷運転において、慣用のガスタービン煙道ガスにおけるＣＯ2濃度は、ベース負荷運転におけるよりも低く、燃焼のための酸素消費が増大する。
異なる負荷及び運転条件のためのＣＯ2生成の差を考慮するために、燃焼圧力に関連する目標ＣＯ2又は目標残留酸素含有量が、別の実施の形態において使用される。
部分負荷において生じる恐れがある火炎消火又は部分消火は、冷却空気質量流量及び冷却空気温度にも依存する。ほとんどのガスタービン設計の場合、冷却空気温度及び質量流量は、圧縮機入口条件と、可変入口案内羽根の位置とに関連している。従って、所要の最大酸素濃度に対する、入口条件及び／又は可変入口案内羽根の位置の影響を考慮する、付加的な関数の使用が提案される。課された燃焼不均一性比はこれに従って修正され、例えば課された燃焼不均一性比は、火炎に対する冷却空気の消火効果が高い場合には低い冷却空気温度のために減じられ、冷却空気の消火効果がより低い場合には高い冷却空気温度のために増大される。
上述の制御方法の組合せが考えられる。特に、燃焼圧力に依存した課された燃焼不均一性比、又は燃焼圧力に依存した、目標入口酸素濃度の関数は、ＣＯ排出量、ＮＯｘ排出量、及び／又は未燃炭化水素排出量、及び／又は脈動等の燃焼パラメータの測定に基づく修正と組み合わせることができる。
煙道ガス再循環率及び／又は課された燃焼不均一性比は、最適なプラント熱力学及び経済的性能を目標として、酸素濃度が最小所要レベルを満たすように保たれた、酸素又は酸素富化ガスの混合と組み合わせて、最適値にまで増大させることができる。酸素又は酸素富化空気の混合は、ＡＳＵ（空気分離ユニット）のトレードオフと、減じられた排出量による利益とを考慮して正当化されるまで、適用することができる。
１つの実施の形態において、圧縮機入口ガスに対する、酸素又は酸素富化空気の混合は、入口における酸素濃度を制御するために行われる。圧縮機入口における目標酸素濃度は、例えば、燃焼圧力及び／又は課された燃焼不均一性比の関数として与えられる。入口空気における酸素濃度は、酸素又は酸素富化空気の混合と組み合わされた、煙道ガス再循環率（ｒFRG）の変化によってさらに制御することができる。
別の実施の形態において、圧縮機入口ガスに対する、酸素又は酸素富化空気の混合は、ＣＯ又は未燃炭化水素に関連して行われる。ＣＯ及び／又は未燃炭化水素排出量が第１のしきい値よりも増大すると、酸素又は酸素富化空気の混合が増大される。ＣＯ及び／又は未燃炭化水素排出量第２のしきい値よりも低いならば、混合は低減される。しきい値の代わりに、ＣＯ及び／又は未燃炭化水素排出量に依存した混合の修正関数を使用することもできる。別の実施の形態において、しきい値又は修正値は、ＣＣＰＰの相対負荷にも依存している。この方法はさらに、煙道ガス再循環率の調節と組み合わせることができる。
燃焼が不完全であると通常増大する火炎又は燃焼器脈動は、測定することができ、同様に、酸素又は酸素富化空気の混合のための制御パラメータとして使用することができる。１つの実施の形態において、二点制御は、課された燃焼不均一性比を調節するために使用される。脈動レベルが第１のしきい値よりも増大すると、課された燃焼不均一性比が増大される。脈動レベルが第２のしきい値よりも低いと、課された燃焼不均一性比は低減される。燃焼器に応じて、特定の脈動周波数範囲を、脈動に依存した課された燃焼不均一性比の制御のために使用することができる。しきい値の代わりに、脈動レベルに依存した再循環率の修正関数を使用することもできる。
制御パラメータとして燃焼器脈動を使用する制御方法のために、少なくとも１つの対応する脈動測定装置が燃焼器に接続されなければならない。
ＣＯ、ＮＯｘ又は未燃炭化水素排出量を制御パラメータとして使用する制御方法のために、少なくとも１つの対応する測定装置がガスタービンの下流に装着されなければならない。
別の実施の形態において、再循環率は、酸素又は酸素富化空気の混合の制御と組み合われる。これらの制御方法を組み合わせるための様々な異なる可能性が考えられる。
例えば、再循環率は、ＮＯｘを最小限に抑制するために及び／又はＣＯ2捕捉システムにおける流れを最適化するために圧力に関連して与えることができ、混合を、安定した完全燃焼を制御するために使用することができる。第２の例において、酸素又は酸素富化空気の混合は、ＡＳＵの寸法により一定レベルに保たれ、再循環率は安定した完全燃焼を制御するために使用される。
別の実施の形態において、再循環率の制御は、課された燃焼不均一性比の制御と組み合われる。これらの制御方法を組み合わせるための様々な異なる可能性が考えられる。
例えば、再循環率は、ＮＯｘを最小限に抑制するために及び／又はＣＯ2捕捉システムにおける流れを最適化するために圧力に関連して与えることができ、課された燃焼不均一性比を、安定した完全燃焼を制御するために使用することができる。第２の例において、課された燃焼不均一性比は、一定の又は所定のレベルに保たれ、再循環率は、安定した完全燃焼を制御するために使用される。
さらに、煙道ガス流量は、負荷が低減されるにつれて小さくなる。ガスタービンのより小さな煙道ガス質量流量と組み合わされた再循環率の増大は、発電プラントから出る煙道ガス質量流量の著しい低下につながることができる。従って、ＣＯ2捕捉ユニットへ送られる煙道ガス流は、ＣＯ2捕捉との運転のために減じられる。しかしながら、設計に応じて、最適な質量流量又は流速がＣＯ2捕捉システムにおいて維持されるべきである。この最適な流量は再循環率を制限することができる。従って、ＣＯ2捕捉システムの設計に応じて、ＣＯ2捕捉システムを通る最適な流量を維持するために、低い負荷においては再循環率の減少が必要とされることができる。ＣＯ2捕捉ユニットに依存して、流量に対する顕著な最大効率なしに、捕捉ユニットの効率はほとんど流量から独立している。しかしながら、流量は、通常、最小流量によっても依然として制限され、この最小流量よりも低いと、不安定な流れが生じる恐れがあり、このことは、ＣＯ2捕捉システムにおける振動につながる恐れがある。この場合、最小流量を保証するために、制御は単純化される。
ベース負荷運転の間、プラント電力は、ガスタービン入口温度を増大させながら、低下する。従って、目標再冷却温度は、通常、できるだけ低い。目標再冷却温度は、通常、再冷却器の能力によって制限される。大きな低温ヒートシンク、例えば低い周囲温度及び／又は低温冷却水、が利用可能である場合にのみ、又はプラントの凍結危険性又はその他の運転パラメータが運転を制限する場合、再冷却温度は、より高い目標温度に制御される。
部分負荷において、合計質量流量が低減された場合、合計再循環質量流量も重畳は減少し、再冷却器は、通常、ベース負荷におけるよりも低い温度に冷却する能力を有している。しかしながら、ほとんどのプラント設計の場合、ガスタービンの圧縮機入口温度を増大することは、ある負荷設定点における部分負荷効率を増大することができる。
通常、ＣＣＰＰの効率は負荷に比例する。一定の絶対負荷で運転する場合、相対負荷は、ガスタービンの入口温度が増大するにつれて、増大する。この増大による効率利益は、入口温度の増大によって生ぜしめられる効率不利益よりも高い。
再冷却器の出口温度は、再循環された煙道ガスを冷却し、従って、圧縮機入口温度がガスタービンの運転限界の範囲にある限り、再冷却温度を、より高いガスタービン圧縮機入口温度を実現するために、部分負荷において高めることができる。従って、負荷及び再循環率に依存する再冷却温度が提案される。再循環率に応じて、再循環温度は、再循環された煙道ガスとの周囲空気の混合の後、現在の電力出力で最善の効率につながる入口温度が得られるように、制御される。
ＣＯ2捕捉を備えたプラントの場合、冷却後のＣＯ2捕捉プラントへの煙道ガス温度も、より低温の限界を考慮して、ＣＯ2捕捉システムのために最適化される。
ＣＯ2捕捉システム自体は、２つ以上の捕捉トレインから成ることができる。部分負荷運転を最適化するために、少なくとも１つの捕捉トレインをシャットダウンすることが有利であることができる。その結果、最適な再循環率は、作動中の捕捉トレインに関連することができる。ＣＣＰＰ運転との捕捉システム運転の一体化は、全体のプラント効率のために有利である。
第１の制御ステップにおいて、作動中の捕捉トレインの数はプラント負荷に合わせて調節される。第２のステップにおいて、再循環率は、特定の負荷におけるプラント効率を最適化するために、作動中の捕捉トレインの特定の数に関連して、調節される。このために、２つの選択的な最適化方式が提案される。再循環率は、捕捉システムの作動中のトレインのための最適なレベルに煙道ガスのＣＯ2濃度を制御するために使用されるか、又は最適な速度に捕捉トレインにおける流速を保つために使用される。
方法の他に、この方法に従って運転するためのプラントは発明の一部である。最適化された運転のために設計されたプラントは、少なくとも１つのガスタービンと、煙道ガスの第１の部分流を圧縮機入口ガス流に向かって送る煙道ガスダクトを備えた煙道ガス再循環システムと、再循環率を制御するための少なくとも１つの制御機構と、再循環煙道ガスを冷却するための温度制御を備えた再循環機と、少なくとも１つの燃焼圧力測定部と、少なくとも１つのＣＯ2及び／又は酸素濃度測定装置とを有している。燃焼圧力測定装置の代わりに、圧縮機出口圧力測定装置又は圧縮機出口温度装置を使用することができる。圧縮機出口温度は、圧縮機出口圧力の近似のために使用することができる。より高い精度のために、これは、圧縮機入口温度測定と組み合わせて行われる。
さらに、本発明によるプラントは、火炎不均一性を提供するように構成された、少なくとも１つのバーナ及び／又は燃料分配システムを有している。
火炎不均一性を提供するためのバーナは、パイロットステージを有しており、かつ／又は多段予混合燃料噴射のための構成されている。
パイロットステージを備えたバーナは、燃焼空気との燃料の事前の予混合なしに、燃焼器の燃料ガスの一部を噴射するための少なくとも１つの燃料噴射箇所を有している。１つの実施の形態においては、パイロット燃料をバーナに噴射するためのパイロットステージとして、燃料ランスが使用される。通常、燃料分配は、予混合燃料噴射箇所とパイロッティングとへ送られる燃料の分割を制御することができるように構成されている。
多段予混合ガス噴射のために構成されたバーナは、予混合された燃料／酸化剤ガス混合物を噴射するための少なくとも２つの噴射箇所と、前記予混合された燃料／酸化剤ガス混合物のそれぞれへの燃料噴射を制御するための制御弁とを有している。噴射箇所は、バーナにおける特定の位置における燃料の噴射を許容する開口である。通常、噴射箇所は、単なる穴であるか又はオリフィスである。噴射箇所は、複数の穴又はオリフィスの列又は配列であることもできる。
多段バーナグループを備えた燃焼器を備えたガスタービンは、主燃料源を有する少なくとも２つのバーナグループと、燃焼器への合計燃料流を制御するための主燃料流制御装置と、バーナグループへの燃料流分割を制御するための少なくとも１つのバーナグループ燃料流制御装置とを有している。
パイロットステージ、多段予混合噴射、及びバーナの多段グループ分けは、別個の特徴として又は組み合わせて装着することができる。流れのこれらの特徴において、均等の特徴及びそれらの組合せは、単に、制御された火炎不均一性を提供するための燃焼器と呼ばれる。本願において、制御された火炎不均一性を提供するための燃焼器を備えたガスタービンは、燃焼器への燃料供給を制御するために構成された燃料分配システムを有している。
通常、再循環システムは、煙道ガス再循環ライン又はダクト、再循環率を制御するための制御機構、及び再循環煙道ガス冷却器を有している。再循環のために、煙道ガス流は、ＨＲＳＧの下流において少なくとも２つの部分流に分割される。第１の部分流は、煙道ガス再循環ラインを介してガスタービンの入口へ戻され、第２の部分流は、環境への解放のために煙突へ送られる。ＣＣＳの場合、第２の部分流は、ＣＯ2捕捉システムを介して煙突へ送られる。ＣＣＳの場合、ＣＯ2捕捉システムの周囲のバイパスが、運転の柔軟性を高めるために設けられていてよい。これにより、再循環率と、ＣＯ2捕捉ユニットへの煙道ガス流とのあらゆる組合せを選択肢、煙道ガス流を煙突へ送ることができる。
再循環率を制御するために、排出流量及び／又は再循環流量を、少なくとも１つの制御機構によって制御することができる。これは、例えば、スプリッタの下流における煙道ガスラインのうちの一方又は両方における、制御機構と組み合わされた制御可能なダンパ又は固定されたスプリッタであることができる。
上述のように、再循環させられた第１の部分流は、通常、ガスタービンの圧縮機に導入するために周囲空気と混合される前に、再冷却器によってさらに冷却されなければならない。１つの実施の形態において、再循環率を制御するための制御機構、例えばフラップ又は弁は、この制御機構における熱負荷を減じるためにこの再冷却器の下流に装着されている。
別の実施の形態において、ブロワが、再循環ライン及び／又は排気ガスラインに装着されている。ブロワは、許容可能な圧力降下が増大させられるので、機器寸法を減じるために有利であることができる。実用的な機器寸法は、捕捉システム及び再循環ラインに亘る合理的な圧力降下によってのみ実現することができる。ガスタービン及びＨＲＳＧ設計による制限を克服することができる。
ブロワは、通常、ブロワが耐えなければならない熱負荷を低減する冷却器の下流に配置されている。従って、ブロワは、再循環率を制御するために使用することができる。本来圧力降下を生じる、可変ダンパ、フラップ又は制御弁を回避することができる。従って、システムの合計圧力降下を、変速ブロワの使用によって低減することができる。択一的に、制御可能なブレード又は案内羽根を備えたブロワも考えられる。煙道ガス及び再循環システムにおける設計及び圧力に応じて、ブロワの代わりに、ブースタを使用することができる。
圧縮機入口ガス又は燃焼器入口ガスの連続的な酸素富化を許容するために、プラントの実施の形態は、所要の酸素を発生するための空気分離ユニット又はメンブレンベースの酸素富化ユニットを有している。
圧縮機入口ガスの酸素富化のために、プラントは、ガスタービンの空気吸入システムに酸素噴射ポートを有している。燃焼器入口ガス又は燃焼器ガスの酸素富化のために、プラントは、燃焼器又は圧縮機プレナム内に素噴射ポートを有している。
上述のガスタービンは、例えば欧州特許第０６２０３６３号明細書又は欧州特許第０７１８４７０号明細書から公知の単一燃焼ガスタービン又は順次燃焼ガスタービンであることができる。ＣＯ排出に対する高い燃焼圧力の有利な効果を保証するために、順次燃焼ガスタービンは、第２の燃焼器における圧力が全負荷運転において１５ｂａｒａよりも高くなるように設計されているべきである。
発明、発明の性質及び発明の利点は、添付の図面を用いることにより以下により詳細に説明される。図面が参照される。
煙道ガス再循環及び変速ブロワを備えたＣＣＰＰを概略的に示している。 順次燃焼ガスタービン、煙道ガス再循環、及び変速ブロワを備えたＣＣＰＰを概略的に示している。 煙道ガス再循環を含むバックエンドＣＯ2吸収、及び変速ブロワを備えたＣＣＰＰを概略的に示している。 圧縮機出口圧力及び高温ガス温度に関連した煙道ガス再循環率の例を概略的に示している。 与えられた高温ガス温度のための煙道ガス再循環率のための許容可能な範囲を備えた圧縮機出口圧力に関連した目標煙道ガス再循環率の例を概略的に示している。 高温ガス温度と、与えられた圧縮機出口圧力のための煙道ガス再循環率調節のための許容可能な範囲とに関連した、目標煙道ガス再循環率の例を概略的に示している。 第１の予混合燃料量をバーナに導入するための燃料出口開口の第１のグループと、第１の燃料供給開口から独立して第２の燃料供給開口に燃料を進入させるための燃料出口開口の第２のグループとを備えた、予混合バーナの例を概略的に示している。 予混合燃料を導入するための燃料出口開口の２つのグループと、パイロット燃料のための供給部とを備えた、予混合バーナの例を概略的に示している。 第１及び第２の予混合燃料を導入するための燃料出口の２つのグループを備えたバーナのための燃料分配システムの例を概略的に示している。 第１及び第２の予混合燃料を導入するための燃料出口の２つのグループを備えたバーナのための燃料分配システムの例を概略的に示している。 第１及び第２の予混合燃料を導入するための燃料出口開口の２つのグループと、パイロット燃料の供給部とを備えたバーナのための燃料分配システムの例を概略的に示している。 環状燃焼器における多段化のための２つのバーナグループを備えた燃料分配システムの例を概略的に示している。 １つのバーナグループと、環状燃焼器における多段化のための４つのバーナへの付加的な個々に制御される燃料ガス供給物とを備えた燃料分配システムの例を概略的に示している。 合計燃料質量流量のための燃料ガス制御弁と、環状燃焼器における多段化のための各バーナのためのバーナ燃料ガス制御弁とを備えた燃料分配システムの例を示している。 ＮＯｘ排出量をあるレベルに制限するための、煙道ガス再循環率に関連した、許容可能な課された燃焼不均一性比の例を概略的に示している。 煙道ガス再循環率と課された燃焼不均一性比とに関連した、一定のＮＯｘ排出量で運転するための高温ガス温度の例を概略的に示している。
提案された方法の実施のための発電プラントは、慣用のＣＣＰＰと、煙道ガス再循環のための機器を有している。
煙道ガス再循環を備えた典型的な配列が図１に示されている。第１の発電機２５を駆動するガスタービン６には、圧縮機入口ガス３と、燃料５とが供給される。圧縮機入口ガス３は、周囲空気２と、煙道ガス再循環ラインを介して再循環させられた煙道ガスとの混合物である。圧縮機入口ガス３は圧縮機１において圧縮される。圧縮されたガスは燃焼器４において燃料５の燃焼のために使用され、加圧された高温ガスはタービン７において膨張する。その主な出力は電力と、高温の煙道ガス８とである。燃料は、燃料分配システム４０によって燃焼器へ供給される。幾つかの場合には、典型的な実施の形態において気体燃料の噴射が言及される。しかしながら、燃料出口開口を介して燃焼空気流に液体燃料を導入することもできることが自明である。
ガスタービンの高温煙道ガス８はＨＲＳＧ９を通過し、ＨＲＳＧは、蒸気タービン１３のための生蒸気を発生する。蒸気タービン１３は、ガスタービン６及び第１の発電機２５とともに単一軸構成で配置されているか、又は第２の発電機２６を駆動するための多軸構成で配置されている。蒸気タービン１３から出た蒸気は凝縮器１４へ送られ、ＨＲＳＧへ戻される。蒸気サイクルは単純化されており、異なる蒸気圧力レベル、給水ポンプ等を省略して概略的に示されている。なぜならば、これらは本発明の主体ではないからである。
ＨＲＳＧからの煙道ガス１９の第１の部分流２１は、ガスタービン６の圧縮機１の入口へ再循環させられ、この入口において、第１の部分流２１は周囲空気２と混合される。第１の部分流２１は、周囲空気２と混合される前に再循環煙道ガス冷却器２７において冷却される。
ＨＲＳＧからの煙道ガス１９の第２の部分流２０は、ダンパ２９によって煙突３２へ送られる。煙道ガス流を高めるために、及び再循環率を制御するために、煙突３２への変速煙道ガスブロワ１０が、ダンパ２９と煙突３２との間に装備されている。さらに、再循環のための変速煙道ガスブロワ１１が、煙道ガスの再循環された第１の部分流２１を周囲空気２と混合する前に、再循環煙道ガス冷却器２７の下流に装備されている。
図２は、順次燃焼ガスタービンと、煙道ガス再循環と、変速ブロワとを備えたＣＣＰＰを概略的に示している。１つのタービン７を備えた単一燃焼器４の代わりに、順次燃焼ガスタービンは、燃焼器４を有しており、この燃焼器４の後に高圧タービン３３が続いている。高圧タービン３３から出た部分的に膨張させられたガスは、第２の燃焼器３４において再熱された後、低圧タービン３５においてさらに膨張させられる。
後燃焼捕捉及び煙道ガス再循環を備えた典型的な配列が、図３に示されている。図１に示されたＣＣＰＰに加え、図３のプラントはＣＯ2捕捉システムを有している。ガスタービンの高温の煙道ガス８はＨＲＳＧ９を通過し、このＨＲＳＧ９は蒸気タービン１３のための生蒸気３０を発生する。蒸気タービン１３は、ガスタービン６及び第１の発電機２５を備えた単一軸構成で配置されているか、又は第２の発電機２６を駆動するための多軸構成で配置されている。さらに、蒸気は、蒸気タービン１３から抽出され、蒸気ライン１５を介してＣＯ2捕捉システム１８へ供給される。蒸気は、低下させられた温度で蒸気サイクルへ戻されるか、又は凝縮物として戻しライン１７を介して蒸気サイクルへ再導入される。蒸気サイクルは単純化されており、異なる蒸気圧力レベル、給水ポンプ等を省略して概略的に示されている。なぜならば、これらは発明の主体でないからである。
ＨＲＳＧ１９からの煙道ガスの第１の部分流２１は、ガスタービン６の圧縮機１の入口へ再循環され、この入口において、第１の部分流２１は周囲空気２と混合される。第１の部分流２１は、周囲空気２と混合される前に、再循環煙道ガス冷却器２７において冷却される。
ＨＲＳＧ１９からの煙道ガスの第２の部分流２０は、ダンパ２９によってＣＯ2捕捉システム１８へ送られる。ＣＯ2捕捉システム１８の上流の煙道ガス冷却器２３はこの第２の部分流２０を冷却する。煙道ガス流を高めるために、及び再循環率を制御するために、ＣＯ2捕捉システム１０への変速煙道ガスブロワが、煙道ガス冷却器２３とＣＯ2捕捉システム１８との間に装備されている。再循環１１のための変速煙道ガスブロワは、煙道ガスの再循環された第１の部分流２１を周囲空気２と混合する前に、再循環煙道ガス冷却器２７の下流に装備されている。
ＣＯ2が除去された煙道ガス２２は、ＣＯ2捕捉システム１８から煙突３２を介して環境へ放出される。ＣＯ2捕捉システム１８が作動していない場合、煙道ガスは、煙道ガスバイパス２４を介して迂回させることができる。
通常運転中、捕捉されたＣＯ2はＣＯ2圧縮機において圧縮され、圧縮されたＣＯ2は貯蔵又はさらなる処理のために移送される。
異なるガス流の酸素濃度をより制御しやすくするために、酸素及び／又はＣＯ2濃度を測定するための測定装置が提案される。
再循環質量流量を制御し、再循環煙道ガス再冷却器２７の後の温度を制御し、周囲空気の温度と、圧縮機１の入口質量流量とを考慮することによって、圧縮機１の入口温度を制御することができる。
ベース負荷において、再冷却温度は、通常、再循環煙道ガス再冷却器２７の能力によって制限され、利用可能なヒートシンクに依存する。河川又は海からの冷却水を用いる冷却水冷却器の場合、水温が、可能な再冷却温度を支配する。空気冷却器の場合、最低再冷却温度は、通常、周囲温度より５〜１０℃高い温度である。再循環率に応じて、圧縮機入口温度の温度上昇は、より小さくなる。
特定の部分負荷電力出力がＣＣＰＰから要求される場合、タービン入口温度又は高温ガス温度が低下させられ、可変入口案内羽根が、運転コンセプトに従って、目標電力が達成されるまで閉鎖される。両者は、相対的な負荷低減に比例した、プラント効率の低減につながる。圧縮機入口温度を制御することによって、プラントのベース負荷電力を制御することができる。特に、圧縮機入口温度の上昇は、ベース負荷電力の減少につながる。その結果、上記の特定の電力出力は、ベース負荷において又は増大した相対電力において達せられる。増大した相対負荷での運転による効率増加が、増大した入口温度での運転による効率損失よりも大きい限り、圧縮機入口温度を高めることは、全体効率を高めることができる。プラント特定最適圧縮機入口温度を、全ての負荷設定点のために決定することができる。最適圧縮機入口温度と、周囲空気２の温度と、負荷特定ガスタービン再循環率ｒGTとに基づき、最適な再冷却温度Ｔrecoolを決定することができる。ベース負荷において、再冷却温度は、再冷却器の冷却能力によって制限される。より低い負荷では、再冷却温度Ｔrecoolを、周囲空気と再冷却された煙道ガスとの混合物が許容可能な最大圧縮機入口温度に達するまで、高めることができる。この例では、最大許容圧縮機入口温度は、固定値である。しかしながら、ガスタービン再循環率は負荷に応じて変化するので、一定の混合温度を得るために必要とされる再冷却温度Ｔrecoolも負荷に応じて変化する。
ガスタービン６の設計に応じて、許容可能な最大圧縮機入口温度は一定ではない。これは、例えば、圧縮機端部温度又は中間圧縮機からの冷却空気ブリード温度が制限的要因である場合である。その結果、再冷却温度Ｔrecoolのための異なる制限機能が得られる。
より精巧な実施の形態において、周囲圧力、湿度及び入口／出口の圧力降下の影響も、例えば、負荷特定最適圧縮機入口温度及び対応する最適再冷却温度を決定するために考慮することができる。
図４は、煙道ガス再循環率の例を、圧縮機出口圧力と高温ガス温度とに関連して概略的に示している。圧縮機出口圧力ｐk2は、設計条件下の全負荷における圧縮機出口圧力で標準化されており、高温ガス温度Ｔhotは、設計条件下の全負荷における高温ガス温度で標準化されており、煙道ガス再循環率ｒFRGは、設計条件下の全負荷における煙道ガス再循環率で標準化されている。全負荷において、標準化された圧縮機出口圧力ｐk2と、高温ガス温度Ｔk2と、煙道ガス再循環率ｒFRGとは、１に等しい。煙道ガス再循環率ｒFRGは、より低い圧縮機出口圧力ｐk2及びより低い高温ガス温度Ｔhotの場合には低下させられる。
順次燃焼を備えるガスタービン６の場合、煙道ガス再循環率は、第１の燃焼器４と第２の燃焼器３４との高温ガス温度の関数である。これは、ここには示されていない曲線の構成につながる。通常、第１の燃焼器の高温ガス温度Ｔhotは、５０％の相対負荷、例えば全負荷に関する運転負荷、までの広い負荷範囲に亘ってほぼ一定に保たれる。従って、この曲線の配列は、単純化することができ、煙道ガス再循環率ｒFRGを決定するために第２の燃焼器の高温ガス温度Ｔhotを使用することができる。
高温ガス温度は通常、タービンに進入する高温ガスの平均高温ガス温度として規定される。高温ガス温度の代わりに、タービンの冷却空気との高温ガスの理論的混合温度である、いわゆるＴＩＴタービン入口温度を使用することもできる。
図５は、目標煙道ガス再循環率ｒTの例を、圧縮機出口圧力ｐK2に関連して、与えられた高温ガス温度Ｔhotのための煙道ガス再循環率調節のための許容可能な範囲とともに、概略的に示している。圧縮機出口圧力ｐk2は、設計条件下での全負荷における圧縮機出口圧力で標準化されている。煙道ガス再循環率ｒFRGと、目標煙道ガス再循環率ｒTと、最小煙道ガス再循環率ｒminと、最大煙道ガス再循環率ｒmaxとは、設計条件下での全負荷における煙道ガス再循環率ｒFRGで標準化されている。この例において、目標煙道ガス再循環率は、圧縮機出口圧力ｐk2に関連して、開ループ制御において決定される。実際の煙道ガス再循環率ｒFRGは、個々の圧縮機出口圧力ｐk2に対して与えられた最大煙道ガス再循環範囲ｒminと最大煙道ガス再循環範囲ｒmaxとの間の許容可能範囲内で、閉ループ制御を用いて調節される。
煙道ガス再循環率ｒFRGの閉ループ調節のために、例えば煙道ガスにおけるＣＯ含有量又は燃焼器脈動が使用される。
図５に示された関数は、１つの高温ガス温度Ｔhotのために有効である。運転条件とガスタービンの設計とに応じて、高温ガス温度の影響を無視することができ、この単なる圧縮機出口圧力ｐk2の関数は、高温ガス温度Ｔhotを考慮することなく全ての運転条件の場合に再循環率ｒFRGを制御するために使用することができる。
図６は、目標煙道ガス再循環率ｒTの例を、与えられた圧縮機出口圧力ｐk2の場合の高温ガス温度Ｔhotの関数と、煙道ガス再循環率調節のための許容可能範囲とに関連して概略的に示している。
高温ガス温度Ｔhotは、設計条件下での全負荷における高温ガス温度Ｔhotで標準化されている。煙道ガス再循環率ｒFRGと、目標煙道ガス再循環率ｒTと、最小煙道ガス再循環率ｒminと、最大煙道ガス再循環率ｒmaxとは、設計条件下での全負荷における煙道ガス再循環率ｒFRGで標準化されている。この例では、目標煙道ガス再循環率は、高温ガス温度Ｔhotに関連して開ループ制御において決定されている。実際の煙道ガス再循環率ｒFRGは、個々の高温ガス温度Ｔhotの場合に、最小煙道ガス再循環範囲ｒminと最大煙道ガス再循環範囲ｒmaxとの間の許容可能範囲内で閉ループ制御を用いて調節される。
煙道ガス再循環率ｒFRGの閉ループ調節のための入力変数として、例えば、煙道ガスのＣＯ含有量又は燃焼器脈動が使用される。１つの実施の形態において、調節は、煙道ガスのＣＯ含有量及び／又は燃焼器脈動の、目標値の逸脱に比例する。
運転柔軟性をさらに高め、かつ部分負荷及びベース負荷における再循環率の制限を克服するために、別の実施の形態の場合にはガスタービン入口ガスの酸素富化が提案される。
幾つかの燃焼システムにおいては、燃焼の火炎安定性及び脈動挙動を改良するために、半径方向でのバーナの多段化が使用される。多段化は通常、局所的な高温ガス温度を増大させ、より高いＮＯｘを生じるので、制限される。しかしながら、提案された運転方法では、煙道ガス再循環がＮＯｘ排出量を低減するので、異なる運転範囲における多段化を許容する。この増大した運転範囲を利用するために、多段化比率が燃焼圧力及び／又は煙道ガス再循環率の関数であるような方法が提案される。多段化比率は、例えば、増大した燃料流量を備えたバーナ又はバーナのグループへの最大燃料流量を、バーナごとの平均燃料流量によって割ったものとして規定される。図５に示された、圧縮機出口圧力ｐk2に関連した煙道ガス再循環比と同様に、圧縮機出口圧力ｐk2に関連したバーナ多段化の制御が提案される。
燃焼の火炎安定性及び脈動挙動を改良するための別の手段として、拡散火炎を用いるパイロット化が知られている。パイロット化は、通常、局所的な高温ガス温度をも上昇させ、より多くのＮＯｘを生じるので、制限される。しかしながら、提案された運転方法では、煙道ガス再循環がＮＯｘ排出量を低減するので、異なる運転範囲におけるパイロット化を許容する。この増大した運転範囲を利用するために、パイロット燃料流が燃焼圧力及び／又は煙道ガス再循環の関数であるような方法が提案される。図５に圧縮機出口圧力ｐk2に関連して示された煙道ガス再循環比率と同様に、圧縮機出口圧力ｐk2に関連したパイロット燃料流の制御が提案される。
上記及び図面に記載された典型的な実施の形態は、当業者に、典型的な実施の形態とは異なりかつ発明の範囲に含まれる実施の形態を開示する。例えば、煙道ガス５の代わりに、液体燃料がガスタービンにおいて燃焼させられてもよい。
制御パラメータとしてＣＯ又は未燃炭化水素排出量を用いる制御方法を実現するために、ガスタービン６の下流にＣＯ又は未燃炭化水素排出量測定装置が装着されなければならない。ＣＯ又は未燃炭化水素排出量測定装置は、例えば、ガスタービン煙道ガスＣＯ2及び／又はＯ2測定装置３７の位置、又はＨＲＳＧ煙道ガスＣＯ2及び／又はＯ2測定装置に対応する測定装置３８の位置に、装着することができる。ＣＯ又は未燃炭化水素排出量測定装置は、組み合わされた測定装置であってもよい。
本発明の方法によって運転することができるバーナの例が、図７及び図８に示されている。示されたバーナは、円錐形の旋回ボディ５１を有しており、この旋回ボディの外側シェルには、空気入口スロットの流入エッジにおいて、予混合ガスのための出口開口５６，５８が配置されている。
図７は、第１の燃料供給導管５５と第２の燃料供給導管５７とを備えた配列を示している。第２の予混合燃料量Ｆ２のための第２の供給導管５７は、従来技術から当業者に知られているように、この旋回ボディ５１の外側シェルに、空気入口スロットの流入エッジにおいて、第１の予混合燃料量Ｆ１のための第１の供給導管５５に隣接して配置されている。予混合燃料は、互いに独立してこれらの２つの供給導管へ進入させられることができ、すなわち、第２の供給導管５７を流過する第２の予混合燃料量Ｆ２の質量流量は、例えば、第１の供給導管５５を通る第１の予混合燃料量Ｆ１の質量流量から独立して設定することができる。異なる供給導管における矢印は、第１及び第２の予混合燃料量Ｆ１，Ｆ２を示している。複数のこれらの供給対５５，５６が、好適にはバーナ長手方向軸線を中心にして対称に配置されていることは自明である。導管５５，５７から、燃料は、第１のグループにおけるｎ1出口開口と、第２のグループにおけるｎ2出口開口とを介してバーナ内に噴射される。
本発明の方法によって作動させることができるバーナの第２の例が図８に示されている。示されたバーナは、円錐形の旋回ボディ５１を有しており、この旋回ボディ５１の外側シェルには、空気入口スロットの流入エッジにおいて、予混合ガスのための出口開口５６の第１のグループが配置されている。バーナにはさらに中央燃料ランス５９が装着されており、この中央燃料ランスは、燃焼チャンバ端部において、すなわち、この例におけるように先端部において、ノズルを有することができ、このノズルは、液体燃料のために又はパイロット燃料ＦＰのために使用することができる。包囲空気５２のための出口開口を公知の形式でこのノズルの周囲に設けることができる。出口開口５６の第１のグループへの燃料供給導管と、燃料ランス５９の先端部における、液体燃料を噴射するための又はパイロット燃料ＦＰのための燃料供給導管とに加えて、示されたバーナは、燃料ランス５９における出口開口５８の第２のグループへの別の燃料供給導管を有している。第２のグループの出口開口５８は、実質的に、バーナ長手方向軸線方向で燃料ランス５９の外面に配置されており、好適には、燃料ランス５９の長手方向軸線を中心にして半径方向に対称に分配されている。これらの出口開口は、燃料が半径方向外方に向けられるように燃料ランス５９から旋回空間内への燃料の噴射を可能にする。これらの出口開口５８の数及び寸法、並びに軸線方向及び周方向での燃料ランス５９における出口開口の分配は、消失限界、脈動、及びフラッシュバック限界等の、バーナの個々の要求に関連して選択される。
燃料ランス５９は、旋回空間内へ比較的深く延びていることができるか、又は旋回空間内へ短距離だけ突出していることもできる。両方の場合において、出口開口５８の第２のグループは、好適には、図示されているように、燃料ランス５９に、旋回空間の後方領域において、すなわち燃焼器から最も離れた領域において配置されている。
この実施の形態において、燃料ランスとは、パイロットステージとして、又は予混合された燃料の発生のための噴射箇所として働く。
これらの典型的な実施の形態においても、出口開口５８の第２のグループへの燃料供給から独立して、出口開口５６の第１のグループへの燃料供給の開鎖（open chain）又は閉ループ制御を有することも明らかに可能である。図７及び図８の実施の形態は、バーナの極めて有利な多段運転モードを可能にし、このモードにおいては、出口開口５６の第１のグループへの燃料供給導管と、出口開口５８の第２のグループへの燃料供給導管とに、予混合ガスが供給される。出口開口５６，５８の第１及び第２のグループへの燃料供給を独立して制御することができることは、バーナ又はバーナを利用する装置の個々の運転条件に最適に適合させられた運転モードを可能にする。また、燃料を出口開口５６，５８の第１及び第２のグループに独占的に、すなわち他方の個々のグループに供給することなく、供給することが可能である。
２つの供給ダクトへの燃料供給は、互いに独立して、図７及び図８には明示されていない制御弁によって設定することができる。燃料制御弁の配列は図示されていない。対応する燃料制御弁を備えた適切な燃料ガスシステム４０の例は、図９から図１１に示されている。
図９から図１１は、燃料量Ｆ０がバーナに供給される燃料分配システムの例を示している。図９及び図１０の例において、全燃料量Ｆ０を、出口開口５６の第１のグループのための燃料量Ｆ１と、出口開口５８の第２のグループのための燃料量Ｆ２とに分割するために、燃料ラインは分岐している。
図９は、制御弁４５が出口開口５６の第１のグループ（図７及び図８に示されている）のための分岐路に配置されており、制御弁４６が出口開口５８の第２のグループのための分岐路に配置されている実施の形態を示している。
この例において、制御弁４５及び４６は燃料質量流量を別個に制御する。燃焼器への合計燃料質量流量は、両者の合計である。
図１０は、一方の制御弁４１が、合計燃料量Ｆ０を設定するために分岐路の前に配置されており、かつ制御弁４５が出口開口５６の第１のグループ（図７及び図８に示されている）のための分岐路に配置されている実施の形態を示している。制御弁４５を制御することによって、質量流量比をＦ１とＦ２との間で変化させることが可能である。この例において、制御弁４５は、もちろん、出口開口５８の第２のグループへの分岐路に配置することもできる。
図１１は、付加的な制御弁４７が、パイロットへの燃料流を制御するための付加的な分岐路に配置されている実施の形態を示している。この例においては、制御弁４５，４６，４７は燃料流を別個に制御する。燃焼器への合計燃料量は、これらすべての流れの合計である。
全ての典型的な実施の形態において、燃料量比Ｆ１／Ｆ０、Ｆ２／Ｆ０、及びＦＰ／Ｆ０は、発電プラントの運転条件に関連して制御弁を作動させることによって変化させられる。量の比の変化は、本明細書の前の部分において既に述べられているように開鎖（open chain）又は閉ループ形式で、異なる測定された運転値に関連して制御することができる。示された設計は、バーナジオメトリから独立している。
さらに、このような配列により、図に点線で示されているように、複数のバーナに、設定された燃料量比で燃料が同時に供給されることができる。
図１２から図１４は、環状燃焼器の周方向で制御された不均一性を提供するように構成された燃料分配システムを備えた環状燃焼器の典型的な断面図を示している。これらの図は、多数の個々のバーナ６６を備えた環状燃焼器５５の断面図を示している。
図１２は、環状燃焼器５５における２つのバーナグループを多段化するための燃料分配システム４０の例を概略的に示している。合計燃料量Ｆ０は燃料分配システム４０を介してバーナ６６に供給される。燃料分配システム４０は、第１のバーナグループのための燃料制御弁６３と、第２のバーナグループのための燃料制御弁６４と、第１のバーナグループのためのマニホールド６１と、第２のバーナグループのためのマニホールド６２と、個々のバーナ６６への燃料供給部６０とを有している。燃料量Ｆ１及びＦ２は、個々のマニホールド及びバーナ供給部６０を介して個々のバーナグループの個々のバーナへ供給される。
図１３は、１つのバーナグループを備えた燃料分配システム４０の例を概略的に示している。燃料分配システム４０は、主燃料制御弁４１と、マニホールド３９と、個々のバーナ６６への燃料供給部６０とを有している。
付加的な単一のバーナを多段化するために、個々のバーナ６６への燃料量ＦＸの制御のための制御弁６５が装着されている。多段化は、個々の単一バーナ制御弁６５の下流の個々のバーナに供給される燃料量ＦＸを減じるための、単一バーナ制御弁６５の制御された閉鎖によって実現される。全ての他のバーナ６６には、燃料量Ｆ１がマニホールド３９及び燃料供給部６０を介して供給される。
択一的な実施の形態において、オリフィス（図示せず）が、単一バーナ制御弁６５が装着されていない、燃料供給部６０の部分又は全てに装着されている。多段化は、単一バーナ制御弁６５の制御された開閉によって実現される。この実施の形態において、単一バーナ制御弁６５の開放は、個々の単一バーナ制御弁６５の下流の個々のバーナへの燃料量ＦＸの噴射を許容し、この燃料量ＦＸは、マニホールド３９と、オリフィスと、燃料供給部６０とを介して供給される燃料量Ｆ１よりも大きい。
これに関連して、制御された開閉とは、全開と全閉との間の全ての弁位置を含む。例えば、制御された開閉は、弁の部分的な閉鎖を含む。
図１４は、燃料分配システムの第３の例を概略的に示している。ここでは、燃料分配システム４０は、主燃料制御弁４１と、マニホールド３９と、個々のバーナ６６への燃料供給部６０と、各バーナ６６の燃料供給ライン６０における単一バーナ制御弁とを有している。これは、全ての運転条件下で多段化パターンの柔軟な変更を許容する。
図１５は、ＮＯｘ排出量をあるレベルに維持するために理論的に必要とされる煙道ガス再循環率ｒFRGに関連した許容可能な提供された燃焼不均一性比ｒiを概略的に示している。図１５は、同じＮＯｘ排出レベルにつながる、運転曲線のための３つの例を示している。燃焼器脈動、燃焼器不安定性、ＣＯ排出量、又はその他の制限等の可能な制限は、無視されている。曲線は、煙道ガス再循環率ｒFRGに関連した許容可能な提供された燃焼不均一性比ｒiの依存度を示している。高温ガス温度Ｔhotが上昇すると、与えられた煙道ガス再循環率ｒFRGにおいて同じＮＯｘ排出レベルを維持するための許容可能な提供された燃焼不均一性比ｒiは、減じられる。一点鎖線は、最も低い高温ガス温度Ｔhotでの運転に対応する。実線は、最も高い高温ガス温度Ｔhotでの運転に対応する。
与えられた高温ガス温度Ｔhotの場合、許容可能な課された燃焼不均一性比ｒiは、煙道ガス再循環率ｒFRGに比例する、すなわち、より高い提供された燃焼不均一性比ｒiは、与えられたＮＯｘ排出レベルのための煙道ガス再循環によって実現することができる。従って、合計運転範囲を、煙道ガス再循環率ｒFRGに関連して、課された燃焼不均一性比ｒiを制御することによって拡大することができる。
図１６は、一定のＮＯｘ排出量での理論的運転のための高温ガス温度Ｔhotの例を、煙道ガス再循環率ｒFRGと、課された燃焼不均一性比ｒiとに関連して、概略的に示している。燃焼器脈動、燃焼不安定性、ＣＯ排出量、又はその他の制限等の可能な制限は、全体的な機能において無視されている。与えられたＮＯｘ排出レベルのための高温ガス温度Ｔhotは、煙道ガス再循環率ｒFRGに比例し、課された燃焼不均一性比ｒiに反比例する。煙道ガス再循環率ｒFRGと課された燃焼不均一性比ｒiとに関連した一定のＮＯｘ排出量を備えた理論的運転のための高温ガス温度Ｔhotの機能に加え、脈動限界ＰＬが示されている。課された燃焼不均一性比ｒiの増大は、より高い火炎安定性につながり、これは、より高い煙道ガス再循環率ｒFRGを許容し、最終的に、より高い高温ガス温度Ｔhotにおける安定した運転につながる。より高い高温ガス温度Ｔhotの結果、同じＮＯｘ排出レベルを維持しつつ、プラントの性能、すなわちプラントの電力及び効率を高めることができる。択一的に、性能の不利なしにＮＯｘ排出量を減じることができる。
図１５及び図１６において、標準化された量が使用されている。高温ガス温度Ｔhotは、設計条件下の全負荷での高温ガス温度で標準化されており、煙道ガス再循環率ｒFRGは、設計条件下の全負荷での煙道ガス再循環率で標準化されている。全負荷において、標準化された高温ガス温度Ｔhotと、煙道ガス再循環率ｒFRGとは、１に等しい。課された燃焼不均一性比ｒiは、対応するハードウェア、すなわちバーナグループ分け、多段化又はパイロット化によって設計条件において実現することができる最大不均一性で標準化されている。
１ 圧縮機
２ 周囲空気
３ 圧縮機入口ガス
４ 燃焼器
５ ＧＴのための煙道ガス
６ ガスタービンＧＴ
７ タービン
８ ガスタービンからの高温煙道ガス
９ ＨＲＳＧ（熱回収蒸気発生器）
１０ （ＣＯ2捕捉システムへの）第２の部分流のための煙道ガスブロワ
１１ 第１の部分流のための煙道ガスブロワ（煙道ガス再循環）
１２ バイパスフラップ又は弁
１３ 蒸気タービン
１４ 凝縮器
１５ ＣＯ2捕捉のための蒸気抽出部
１６ 給水部
１７ 凝縮物戻しライン
１８ ＣＯ2捕捉システム
１９ ＨＲＳＧからの煙道ガス
２０ 第２の部分流（ＣＯ2捕捉システムへの煙道ガスライン）
２１ 第１の部分流（煙道ガス再循環）
２２ ＣＯ2除去された煙道ガス
２３ （第２の部分流のための）煙道ガス冷却器
２４ 煙突への煙道ガスバイパス
２５ 第１の発電機
２６ 第２の発電機
２７ （第１の部分流のための）再循環煙道ガス再冷却器
２８ 圧縮機出口圧力又は出口温度測定装置
２９ 煙道ガス分割装置
３０ 生蒸気
３１ 捕捉されたＣＯ2
３２ 煙突
３３ 高圧タービン
３４ 第２の燃焼器
３５ 低圧タービン
３６ 入口空気ＣＯ2及び／又はＯ2測定装置
３７ ガスタービン煙道ガスＣＯ2及び／又はＯ2測定装置
３８ ＨＲＳＧ煙道ガスＣＯ2及び／又はＯ2測定装置
３９ マニホールド
４０ 燃料分配システム
４１ 主燃料制御弁
４５，４６，４７ 制御弁
５１ 旋回ボディ
５２ 包囲空気
５３ バーナ長手方向軸線
５５ 第１の供給導管
５６ 出口開口の第１のグループ
５７ 第２の供給導管
５８ 出口開口の第２のグループ
５９ 燃料ランス
６０ 燃料供給部
６１ 第１のバーナグループのためのマニホールド
６２ 第２のバーナグループのためのマニホールド
６３ 第１のバーナグループのための燃料制御弁
６４ 第２のバーナグループのための燃料制御弁
６５ 単一バーナ制御弁
６６ バーナ
ＣＣＰＰ コンバインドサイクル発電プラント
Ｆ０ 合計燃料量
Ｆ１，Ｆ２ 燃料量
ＦＰ パイロット燃料量
ｎ1 第１のグループにおける出口開口の数
ｎ2 第２のグループにおける出口開口の数
ｐk2 圧縮機出口圧力
ｒFRG 煙道ガス再循環率
ｒi 課された燃焼不均一性比
ｒT 目標再循環率
ｒmin 最小再循環率
ｒmax 最大再循環率
Ｔhot 高温ガス温度

Claims (15)

  1. ガスタービン（６）と、煙道ガス再循環システムを備えた熱回収蒸気発生器（９）とを有するコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）を運転する方法において、煙道ガス再循環システムによってガスタービン（６）の圧縮機入口ガス（３）に再循環される煙道ガスの煙道ガス再循環率（ｒFRG）に関連して、課された燃焼不均一性比（ｒi）を制御することを特徴とする、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）を運転する方法。
  2. 前記課された燃焼不均一性比（ｒi）をさらに、燃焼器における高温ガス温度（Ｔhot）に関連して制御しかつ／又は燃焼圧力（ｐk2）に関連して制御する、請求項１記載の方法。
  3. より高い煙道ガス再循環率（ｒFRG）を許容するためにガスタービン（６）のガスタービン圧縮機（１）の圧縮機入口ガス（３）及び／又はガスタービン（６）の燃焼器（４）に酸素又は酸素富化空気を混合する、請求項１又は２記載の方法。
  4. 圧縮機入口ガス（３）における目標酸素濃度を、課された燃焼不均一性比（ｒi）に関連して与え、圧縮機入口ガスにおける酸素濃度を、煙道ガス再循環率（ｒFRG）の変化及び／又は酸素又は酸素富化空気の混合によって制御する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. 課された燃焼不均一性比（ｒi）及び／又は酸素又は酸素富化空気の混合を、測定されたＣＯ及び／又は未燃炭化水素排出量に関連して調節する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
  6. 課された燃焼不均一性比（ｒi）を、測定された燃焼器脈動に関連して調節する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. ＣＯ2捕捉システム（１８）を通る所要の最小流量を保証するために煙道ガス再循環率（ｒFRG）を最大値よりも低く維持する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. ガスタービン（６）の目標圧縮機入口温度を、相対負荷に関連して与え、圧縮機入口温度を、ガスタービン（６）の圧縮機入口ガス（３）へ再循環させられる、冷却された煙道ガスの再冷却温度（Ｔrecool）を調節することによって制御する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
  9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の運転方法のために設計されたコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）において、ガスタービン（６）と、熱回収蒸気発生器（９）と、蒸気タービン（１３）と、再循環煙道ガス再冷却器（２７）を備えた煙道ガス再循環ラインと、少なくとも１つの圧縮機出口圧力及び／又は圧縮機出口温度測定装置と、再循環される煙道ガスと周囲空気との混合箇所とガスタービン（６）の圧縮機（１）との間の少なくとも１つの酸素及び／又はＣＯ2測定装置（３６）、及び／又はガスタービン（６）及び燃焼器（４，３４）の下流に設けられた少なくとも１つの酸素及び／又はＣＯ2測定装置（３７，３８）及び／又は少なくとも１つのＣＯ及び／又は未燃炭化水素測定装置と、制御された燃焼不均一性を課すために構成された燃料分配システムを有することを特徴とする、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  10. 少なくとも１つの燃焼器（４，３４）におけるパイロット段及び／又は多段予混合ガス噴射を備えたガスタービン（６）が設けられている、請求項９記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  11. 多段バーナグループを備えた少なくとも１つの燃焼器（４，３４）を備えたガスタービン（６）が設けられている、請求項９または１０記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  12. ２６よりも大きな設計圧縮機圧力比を備えるガスタービン（６）が設けられている、請求項９から１１までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  13. １５ｂａｒａよりも大きな第２の燃焼器（３４）の設計圧力を備える、順次燃焼ガスタービン（６）が設けられている、請求項９から１２までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  14. 再循環のための変速煙道ガスブロワ（１１）及び／又はＣＯ2捕捉システム（１８）が設けられており、再循環率の制御のためのＣＯ2捕捉システム（１８）に送られる煙道ガスのためのＣＯ2捕捉システム（１０）への変速煙道ガスブロワが設けられている、請求項９から１３までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
  15. 圧縮機（１）の圧縮機入口ガス（３）及び／又は燃焼器（４，３４）又は圧縮機プレナムに酸素又は酸素富化空気を噴射するための噴射ポートが設けられている、請求項９から１４までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）。
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