JP5858619B2 - ガスタービンの運転方法およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明はガスタービンの運転方法とガスタービンとに関する。以下、特に、燃焼ガスが部分的に再循環され、かつ部分的にＣＯ_２回収プラントに送られるガスタービンを対象とする。

図１は、連続燃焼ガスタービン１を有する発電プラントの例を示す。このガスタービン１は、燃焼装置３に給気するコンプレッサ２を備えており、この燃焼装置３において燃料が噴射され、燃焼して、高圧タービン４で膨張する高温ガスが生成される。高圧タービン４からの燃焼ガスは第２燃焼装置５に送られる。第２燃焼装置５においては、さらに燃料が噴射されて燃焼し、低圧タービン６においてさらに膨張する高温ガスが生成される。

低圧タービン６からの燃焼ガスは、蒸気タービンプラント８にエネルギーを供給するため、熱交換器７に供給される。

燃焼ガスは、熱交換器７を通過した後、冷却器を通過し、その冷却器において、次に分流器９に導入されるために冷却される。分流器９においては、第１の燃焼ガス流が混合器１０に分流され、コンプレッサ２に供給される混合空気を形成するように新鮮空気と混合される。

分流器９からは、第２の燃焼ガス流がＣＯ_２回収プラント１１に分流される。

この発電プラントは、ＣＯ_２の排出量を制御し低減させるが、いくつかの状況においては、別の問題点を惹起する可能性がある。

実際、この燃焼装置は、新鮮空気より酸素濃度が低い酸化剤（再循環される燃焼ガスと新鮮空気との混合物である）で運転されるので、運転中、火炎の安定性が、新鮮空気で運転される燃焼装置の火炎の安定性に比べて低下する。

これは、脈動を惹起すると共に吹き消え温度を高める可能性があり、従って運転の柔軟性を低下させる。またさらに、特に部分負荷運転において、未燃炭化水素およびＣＯの排出量が増大する可能性がある。

従って、本発明の技術的な目的は、既知の技術の前記の問題点が取り除かれる方法およびガスタービンを提供することにある。

この技術的な目的の範囲内で、本発明の一態様は、ガスタービンに新鮮空気および再循環燃焼ガスの混合物が供給される場合でも、安定な運転を可能にする方法およびガスタービンを提供するためのものである。特に、運転中の火炎の安定性が従来型のガスタービンに対して増大している。

本発明の別の態様は、従来型のガスタービンに比べて、運転中、脈動の発生が低く、かつ運転の柔軟性が増大する方法およびガスタービンを提供するためのものである。

さらに、未燃炭化水素およびＣＯの排出量が従来型のガスタービンより低い。

これらの態様および別の態様と共に、上記の技術的な目的は、本発明に従って、添付の特許請求の範囲による方法およびガスタービンを提供することによって実現される。

本発明のさらなる特性および利点は、本発明による方法およびガスタービンの、好ましいが他を排除することはない実施形態に関する以下の記述から明らかになるであろう。この実施形態は、非限定的な例として、添付の図面に表現されている。

発電プラントの概略図である。 本発明の一実施形態における燃焼装置の概略図である。 本発明の別の実施形態における別の燃焼装置の概略図である。

図面を参照し、すでに記述したのと同様または類似の要素に対する参照符号を用いると、少なくとも１つの燃焼装置３に、圧縮された酸化剤を供給するコンプレッサ２を備えたガスタービン１が示されている。この燃焼装置３においては、高圧タービン４内で膨張する高温ガスを発生させるために、燃料が噴射され、燃焼する。

さらに、ガスタービン１は第２燃焼装置５をも有する。この第２燃焼装置５には、なお一部分が酸素からなる高圧タービン４から流入する燃焼ガスが、別の燃料と共に導入される。このため、この別の燃料は、燃焼して、低圧タービン６で膨張する高温ガスを発生する（連続燃焼ガスタービン）。

特に連続燃焼ガスタービンについて記述しているとしても、本発明の別の実施形態においては、ガスタービンは、コンプレッサと燃焼装置とタービンとを備えた、第２燃焼装置および低圧タービンを有しない従来型のガスタービンであってもよい。

以下の記述においては、連続燃焼ガスタービンを対象とする。方法およびガスタービンを、連続燃焼ガスタービンでない従来型のガスタービンに適合させるための変更は自明であるので、詳細には記述しない。

低圧タービン６から排出される燃焼ガスは、部分的にコンプレッサ２に再循環される。

この場合、この燃焼ガスは熱交換器７を通過するが、この熱交換器７において、燃焼ガスは、蒸気タービンプラント８内を循環する熱力学的流体を加熱するために冷却される。燃焼ガスは、続いてさらに別の冷却器１５を通過し、そこでさらに冷却される。

その後、燃焼ガスは分流器９に流入する。この分流器９において、燃焼ガスの第１部分が混合器１０に（コンプレッサ１６を経由して）分流され、この混合器１０において、この燃焼ガスの第１部分は、コンプレッサ２に供給される酸化剤である混合空気を形成するように新鮮空気と混合される。

燃焼ガスの第２の部分はＣＯ_２回収プラント１１に（コンプレッサ１７を経由して）分流され、そこで、ＣＯ_２が分離され、例えば液体の形で貯蔵される。

燃焼装置３および／または燃焼装置５においては、気体燃料が少なくとも２段階に噴射される。その段階の内の１つは、燃料が燃焼装置の長手方向軸２１またはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段２０である。

従って、本発明の方法によれば、好ましくは気体燃料のみが燃焼チャンバ３および／または５内に噴射され、液体燃料は噴射されない。

図２は、特に、連続燃焼ガスタービンの第１燃焼装置である燃焼装置３を示す。

図２において、参照符号２０はパイロット段を示し、参照符号２２は第１段を示し、参照符号２３は第２段を示す。

燃焼装置３は、ほぼ円錐状の混合チャンバ２５であって、その長手方向軸２１に沿って延びるランス２６を有する混合チャンバ２５と、この混合チャンバ２５の下流側の燃焼チャンバ２７とを備えている。

混合チャンバの壁面は、酸化剤流入用の接線方向のスロット２９と、第２段２３の燃料流入用のノズルとを有する。同様に、ランス２６は、第１段２２の燃料流入用の側部ノズルを有する。

さらに、ランス２６は、パイロット段２０の燃料噴射用としてその先端に配置される少なくとも１つのノズルを有する。

図３は、連続燃焼ガスタービンの第２燃焼装置である燃焼装置５を示す。

この図において、参照符号２０はパイロット段を示し、参照符号２２は第１段を示す。この実施形態においては、第２段は設けられない。

燃焼装置５は、筒状の混合チャンバ２５でありその中で横方向に延びるランス２６を有する混合チャンバ２５と、その下流側の燃焼チャンバ２７とを備えている。

ランス２６は、第１段２２の燃料流入用の側部ノズルと、さらに、パイロット段２０の燃料流入用としてのその先端における少なくとも１つの別のノズルとを有する。

ガスタービンの運転方法は、燃料を、少なくとも２段階に噴射することを含む。この段階の内の１つは、燃料が燃焼装置３または５の長手方向軸２１、あるいはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段２０である。

特に、この方法は、燃焼装置３および／または５において噴射されるべき燃料の量を決定すること、および、この量を各段の間に分割することを含む。

気体燃料を、パイロット段２０から燃焼装置３および／または５内に噴射するのが有利である。さらに、気体燃料は、第１段から、また、第２段が設けられる場合は第２段からも噴射される。

燃焼装置が３段階２０、２２、２３を備えた燃焼装置３において実施されるこの方法の実施形態においては、燃料量はこの３段階の間に分割される。

運転中、第１段、第２段およびパイロット段から噴射される燃料部分を、エンジン運転の良好な制御のために調整可能にすることが有利である。

特に、運転中、燃料質量流量の５０〜７０％が第１段から噴射され、燃料質量流量の２０〜３０％が第２段から噴射され、燃料質量流量の５〜２５％がパイロット段から噴射される。

燃焼装置が２段階２０、２２を有する燃焼装置５において実施されるこの方法の実施形態の場合は、燃料量はこの２段階の間に分割される。

運転中、第１段およびパイロット段から噴射される燃料部分を、エンジン運転の良好な制御のために調整可能にすることが有利である。

特に、運転中、燃料質量流量の７５〜８５％が第１段から噴射され、燃料質量流量の１５〜２５％がパイロット段から噴射される。

運転中、パイロット気体燃料は、ランス２６のすぐ下流側の、その長手方向軸を跨ぐ燃焼装置部分内に燃料リッチの領域を形成する。

この領域は、高温の火炎（拡散燃焼）を発生させ、これによって、全負荷、およびまた部分負荷でのガスタービンの運転の改善が可能になる。

実際、意外なことに、酸素の不足にも拘らず、良好な燃焼とさらに安定な火炎とが観察され、火炎は混合チャンバ２５のすぐ下流側に固定されて、さらにその下流側に移動することが避けられたのである。

これによって、脈動が感知し得るほど低減した。

さらに、火炎が燃焼チャンバ２７の入口に固定されるので、燃料が、完全燃焼する十分な時間を有することになり、未燃炭化水素およびＣＯの排出量の低減が確認された。

また、火炎の温度が高くなるとしても（燃焼温度が高くなるほど、ＮＯ_Ｘ排出量が増大する）、ＮＯ_Ｘ排出量の増大は認められなかった。

実際には、高温であるために、火炎先端の上流側の燃焼ガス中のＮＯ_Ｘ濃度は従来型燃焼装置の場合よりも高い。

さらに、先端の火炎が従来型燃焼装置の場合よりも厚いので、ＮＯ_Ｘ濃度は燃焼中にさらに増大する。

それにも拘らず、火炎先端の下流側（すなわち、燃焼ガスが燃焼チャンバを通過してタービン４または６に達する間）におけるＮＯ_Ｘ生成は、従来型ガスタービンの場合よりも遥かに低いことが判明した。

全体的には、これらの効果は互いに均衡して、本発明の実施形態における方法およびガスタービンによって生成される燃焼ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が、従来型の方法およびガスタービンとほぼ同等になることが判明した。

当然のことながら、記述した特徴は互いに独立に備えることができる。

実践においては、使用材料および寸法は、要件および現行技術に従って随意に選択することが可能である。

１ ガスタービン
２ コンプレッサ
３ 燃焼装置
４ 高圧タービン
５ 燃焼装置
６ 低圧タービン
７ 熱交換器
８ 蒸気タービンプラント
９ 分流器
１０ 混合器
１１ ＣＯ_２回収プラント
１５ 冷却器
１６ コンプレッサ
１７ コンプレッサ
２０ パイロット段
２１ 長手方向軸
２２ 第１段
２３ 第２段
２５ 混合チャンバ
２６ ランス
２７ 燃焼チャンバ
２９ スロット

Claims (12)

1. 少なくとも１つの燃焼装置（３、５）に酸化剤を供給する少なくとも１つのコンプレッサ（２）を備えたガスタービン（１）を運転する方法であって、前記燃焼装置（３、５）において、タービン（４、６）内で膨張する高温ガスを発生させるために、燃料が噴射され、且つ燃焼されて前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、少なくとも部分的に、前記少なくとも１つのコンプレッサ（２）に再循環されるガスタービン（１）の運転方法において、
   前記少なくとも１つの燃焼装置（３、５）内で、気体燃料が第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）を介して噴射され、前記第１段階（２０）は、燃料が、前記燃焼装置（３、５）の長手方向軸（２１）またはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段階（２０）であり、
   前記方法は、前記燃焼装置（３、５）内で噴射されるべき燃料量を決定する工程を含み、前記燃料量が前記第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）に分割され、
   前記燃焼装置（３）が、長手方向軸（２１）に沿って延びるランス（２６）を有するほぼ円錐状の混合チャンバ（２５）と、この混合チャンバ（２５）の下流側の燃焼チャンバ（２７）とを備えており、さらに、混合チャンバの壁面は、酸化剤流入用の接線方向のスロット（２９）と燃料流入用のノズルとを有し、前記ランス（２６）は側部ノズルを有し、前記第３段階（２３）は前記混合チャンバの壁面におけるノズルによって規定され、前記第２段階（２２）は前記ランス（２６）の側部ノズルによって規定される、ことを特徴とするガスタービン（１）の運転方法。
2. 前記ランス（２６）が、その先端に噴射用として配置される少なくとも１つのノズルを有し、前記パイロット段階（２０）が、前記ランス（２６）の先端におけるこのノズルによって規定される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 運転中、燃料質量流量の５０〜７０％が前記第２段階（２２）から噴射され、燃料質量流量の２０〜３０％が前記第３段階（２３）を介して噴射され、燃料質量流量の５〜２５％が前記パイロット段階（２０）を介して噴射される、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの燃焼装置（３、５）に酸化剤を供給する少なくとも１つのコンプレッサ（２）を備えたガスタービン（１）を運転する方法であって、前記燃焼装置（３、５）において、タービン（４、６）内で膨張する高温ガスを発生させるために、燃料が噴射され、且つ燃焼されて前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、少なくとも部分的に、前記少なくとも１つのコンプレッサ（２）に再循環されるガスタービン（１）の運転方法において、
   前記少なくとも１つの燃焼装置（３、５）内で、気体燃料が少なくとも２段階（２０、２２、２３）を介して噴射され、その段階の内の１つは、燃料が、前記燃焼装置（３、５）の長手方向軸（２１）またはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段階（２０）であり、
   前記方法は、前記燃焼装置（３、５）内で噴射されるべき燃料量を決定する工程を含み、
   前記燃焼装置（３、５）が第１及び第２段階（２０、２２）を備えており、前記燃料量が前記第１及び第２段階（２０、２２）に分割される、ことを特徴とするガスタービン（１）の運転方法。
5. 前記燃焼装置（５）が、混合チャンバ（２５）中を横方向に延びるランス（２６）を有する筒状の混合チャンバ（２５）と、その下流側の燃焼チャンバ（２７）とを備えており、さらに、このランス（２６）は、前記第２段階（２２）を規定する側部ノズルを有する、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記ランス（２６）が、前記パイロット段階（２０）を規定するその先端における別のノズルを有する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 運転中、燃料質量流量の７５〜８５％が前記第２段階（２２）を介して噴射され、燃料質量流量の１５〜２５％が前記パイロット段階（２０）から噴射される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、部分的に、ＣＯ_２回収プラント（１１）に分流される、ことを特徴とする請求項１又は４に記載の方法。
9. 前記パイロット段階（２０）は、全負荷及び部分負荷の双方の運転における段階である、請求項１又は４に記載の方法。
10. 少なくとも１つの燃焼装置（３、５）に酸化剤を供給する少なくとも１つのコンプレッサ（２）を備えたガスタービン（１）であって、その燃焼装置（３、５）において、タービン（４、６）内で膨張する高温ガスを発生させるために、燃料が噴射され、燃焼し、前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、部分的に、前記少なくとも１つのコンプレッサ（２）に再循環されるガスタービン（１）において、
    前記少なくとも１つの燃焼装置（３、５）内で、気体燃料が第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）に噴射され、前記第１段階（２０）は、燃料が、前記燃焼装置（３、５）の長手方向軸（２１）またはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段階（２０）であり、
    前記燃焼装置（３、５）内で噴射されるべき燃料量が前記第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）に分割され、
    前記燃焼装置（３）が、長手方向軸（２１）に沿って延びるランス（２６）を有するほぼ円錐状の混合チャンバ（２５）と、この混合チャンバ（２５）の下流側の燃焼チャンバ（２７）とを備えており、さらに、混合チャンバの壁面は、酸化剤流入用の接線方向のスロット（２９）と燃料流入用のノズルとを有し、前記ランス（２６）は側部ノズルを有し、前記第３段階（２３）は前記混合チャンバの壁面におけるノズルによって規定され、前記第２段階（２２）は前記ランス（２６）の側部ノズルによって規定される、ことを特徴とするガスタービン（１）。
11. 少なくとも１つの燃焼装置（３、５）に酸化剤を供給する少なくとも１つのコンプレッサ（２）を備えたガスタービン（１）であって、その燃焼装置（３、５）において、タービン（４、６）内で膨張する高温ガスを発生させるために、燃料が噴射され、燃焼し、前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、部分的に、前記少なくとも１つのコンプレッサ（２）に再循環されるガスタービン（１）において、
    前記少なくとも１つの燃焼装置（３、５）内で、気体燃料が第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）に噴射され、前記第１段階（２０）は、燃料が、前記燃焼装置（３、５）の長手方向軸（２１）またはそれに平行な軸に沿って噴射されるパイロット段階（２０）であり、
    前記燃焼装置（３、５）内で噴射されるべき燃料量が前記第１、第２、及び第３段階（２０、２２、２３）に分割される、ことを特徴とするガスタービン（１）。
12. 前記タービン（４、６）から排出される燃焼ガスが、部分的に、ＣＯ_２回収プラント（１１）に分流される、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のガスタービン（１）。

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