JP6000220B2 - シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンの運転方法、及び、当該方法によって運転されるガスタービン - Google Patents

シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンの運転方法、及び、当該方法によって運転されるガスタービン Download PDF

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Description

本発明は、ガスタービンの技術分野に属する。本発明は、請求項1の上位概念に記載されたシーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンの運転方法に関する。本発明は、さらに、当該方法によって運転されるガスタービンにも関する。
2つの燃焼器を含むシーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンの例が図1に示されている。図1のガスタービン10はケーシング12によって同心状に包囲されたロータ11を有する。圧縮器13は空気を圧縮して、第1燃焼室14及び第1バーナー17を含む第1燃焼器へ供給する。第1バーナー17には第1燃料供給部18から燃料が供給される。第1燃焼器14,17内で形成された高温ガスは、高温ガス路21を通り、第2燃焼室15及び第2バーナー19を含む第2燃焼器へ流れ込む。第2バーナー19には第2燃料供給部20から燃料が供給される。第2燃焼器15,19からの高温ガスはタービン16へ流入して運動を生じさせる。
通常は、高圧タービンが第1燃焼器14,17と第2燃焼器15,19との間に配置される。しかし、高圧タービンが排除され、代わりに希釈空気が希釈空気供給部23から高温ガス路21へ注入されることもある。
ガスタービンの部分負荷動作では、典型的に、燃焼器の高温ガス温度が低下する。所定の高温ガス温度限界で、CO排出量が上昇し、排出量保証範囲に対する限界値が設定される。ガスタービン負荷が100%から部分負荷へ低減される場合にCO排出量が典型的に上昇することは図2に示されている。ここでは、CO排出量は、第2燃焼器の点火を表す点I2にピークを有するガスタービン相対負荷RLGTの関数として示されている。所定の負荷限界LTで、予め定められたCO限界値LTCOが超過される。この時点で第2燃焼器ではパフォーマンスに悪影響を与える圧力低下が起こっている。
この問題を解決するために、従来技術において、2つの異なるアプローチが提案されている。
1.最大可能負荷で第2燃焼器を始動する。ただし、この手法では(高圧タービンが第1燃焼器と第2燃焼器との間に配置されている場合)第1の燃焼器に対する高温ガス温度が高圧タービンの耐用期間によって定められる限界範囲内に維持されるように要求されるので、効率があまり良くない。
2.第2バーナー群のうち幾つかを低負荷動作時に遮断して、残りのものが低負荷動作時に高い排出温度で点火されるようにする。この手法は低圧タービン(図1のタービン16)に高い応力を生じさせるという欠点があるうえ、(コンバインドサイクル型発電施設における)ボイラの温度限界による制限を受ける。
さらに、関連する従来技術として、次のものが見出されている。
独国公開第10312971号公報には、特に発電所用のガスタービンアセンブリであって、圧縮器と2つの下流燃焼室とこれらに直列に接続されたタービンとを含む設備が示されている。2つの燃焼室の間に冷却ユニットが配置されている。この手段は高圧タービンを含まないシーケンシャル燃焼部を基礎としている。2つの燃焼器間に高圧タービンが存在しないので、第1燃焼器の排出側のガス温度が相対的に高くなる。これにより燃料が第2燃焼器で噴射される際に自発的な点火が起こって、燃料注入部近傍での部品への熱ストレスが過度に高くなり、燃料と空気との混合が充分に行われず、放出量の値が大きくなってしまう。
こうした欠点を回避するために、第2燃焼室に対して燃料酸化物混合気を形成するための高温燃焼ガスへの燃料注入の前に、第1燃焼室からの高温の燃焼ガスを冷却することが提案されている。第1燃焼室又は第1燃焼ステップからの高温の燃焼ガスを冷却することにより、排出ガス温度が低下して、注入された燃料の点火が充分に遅延する。点火が充分に遅延しないと、充分な混合が生じず、均一かつ希薄な燃料酸化物混合気が得られないので、偏りのない炎が形成されない。
国際公開第03/038253号公報は、シーケンシャル燃焼方式のガスタービンユニットに関連しており、このユニットは主として少なくとも1つの圧縮器と高圧燃焼室と高圧タービンと低圧燃焼室と低圧タービンとを含む。圧縮器及び高圧タービン及び低圧タービンの回転部分は共通のロータ上に配置されているが、ガスタービンユニットに関連する特許請求の範囲の構成は修正形態において有利に簡単化されている。修正されたガスタービンユニットは、圧縮器なしで、低圧で運転される元の高圧燃焼室と、元の低圧燃焼室と、元の低圧タービンとを含む。ここで、圧縮器の省略は、流れ方向で見た複数の最終高圧段を置換なしに除くことによって、又は、駆動部から同じ要素を除き、さらに元の高圧タービンの機能を置換なしに停止することによって、達成される。高圧タービンはちょうど高圧燃焼室と低圧燃焼室との間の伝達路となる。高温ガス流は高圧燃焼室からこの伝達路を通って直接に低圧燃焼室へ流れる。
欧州公開第2206959号公報には、燃料再形成装置を含むガスタービンシステムが示されている。燃料再形成装置は、燃料後流を受け取るように構成された燃料流入口と、酸化物後流を導入するように構成された酸化物流入口と、燃料後流を前処理するように構成された前処理領域と、燃料後流と酸化物後流とを混合して予混合ガスを形成するように構成された予混合装置を含む混合領域と、予混合ガスから合成ガスを形成するように構成された反応領域と、燃料流を合成ガスに混合して水酸化物リッチな燃料混合物を形成するように構成された圧縮領域と、燃料混合物を受け取るように構成されたガスタービンとを備えている。
国際公開第2010/112318号公報は、シーケンシャル燃焼部を備えるガスタービンを低CO排出量で部分負荷動作させる方法に関連しており、部分負荷動作時の第2燃焼室で動作しているバーナーの空気比は最大空気比より低く維持され、当該方法を実行するガスタービンへ伝送される。最大空気比を低減するために、ガスタービンの運転コンセプトについて複数回の修正が個々にもしくは相互に組み合わせて行われる。第1の修正形態として、第2燃焼室をオンにする前に、調整可能な圧縮器ガイドベーン列を開放することが挙げられる。第2燃焼室をオンにするには、調整可能な圧縮器ガイドベーン列を迅速に閉鎖し、第2燃焼室の各バーナーに同期して燃料を投入する必要がある。第2の修正形態として、部分負荷動作時に個々のバーナーをオフにすることが挙げられる。
独国公開第10312971号公報 国際公開第03/038253号公報 欧州公開第2206959号公報 国際公開第2010/112318号公報
本発明の課題は、CO排出量を低減でき、フラッシュバックのおそれを増大させることなく部分負荷動作時の圧力低下を回避できる、シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンの運転方法を提供することである。本発明は、さらに、こうした方法によって運転されるガスタービンを提供することも課題とする。
この課題は、シーケンシャル燃焼部として、圧縮器と、圧縮器からの圧縮空気を受け取る第1燃焼室及び第1バーナーを含む第1燃焼器と、第1燃焼器からの高温ガスを所定の第2燃焼器流入温度で受け取る第2燃焼室及び第2バーナーを含む第2燃焼器と、第2燃焼器からの高温ガスを受け取るタービンとを備えているガスタービンの運転方法において、第2燃焼器流入温度を、ガスタービンの基準負荷動作に対して低下させ、ガスタービンの負荷が基準負荷から部分負荷へ低下した場合に上昇させることにより、解決される。
本発明のガスタービンの型式の一実施例を示す図である。 シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンのCO排出量と第2燃焼器流入温度との一般的な関係を示すグラフである。 シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンのCO排出量と種々の値をとる第2燃焼器流入温度との関係を示すグラフである。 従来技術のガスタービン相対負荷での第2燃焼器流入温度の変化(曲線D)と本発明のガスタービン相対負荷での第2燃焼器流入温度の変化(曲線E)とを比較したグラフである。 第2燃焼器流入温度が高い場合又は低い場合の第2燃焼器炎温度に対する、シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンのCO排出量の実験結果を示すグラフである。
本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。
第2燃焼器流入温度は、例えば、基準負荷動作の間、希釈空気流を加混合することにより、及び/又は、第1燃焼器における空燃比を低減することにより、低減される。これにより、第1燃焼器排出温度の上昇が許容される。
第2燃焼器流入温度は、例えば第1燃焼器排出温度を上昇させることにより、基準負荷動作時に比べて部分負荷動作時に上昇させることができる。同様に、基準負荷動作時の希釈空気流に対して部分負荷動作時の希釈空気流を低減することにより、部分負荷動作時の流入温度を上昇させることができる。
本発明の有利な実施形態によれば、第1燃焼器からの高温ガスに希釈空気を加混合することにより、第2燃焼器流入温度を第1燃焼器排出温度に比べて低下させることができる。ここでの希釈空気の加混合とは、例えば、部分負荷動作時の第1燃焼器排出流量に加混合される希釈空気の割合を、基準負荷動作時の割合に比べて増大させることである。
特に、第2燃焼器流入温度の変化幅を増大させるために、希釈空気の流量が変更される。変化幅を増大させるとは、第1燃焼器排出温度を変化させることのみによって得られる変化がより大きくなることを意味する。第1燃焼器排出温度の変化は、燃焼器の安定性及び耐用限界によって制限される。第1燃焼器排出温度の増大は耐用限界及び脈流限界によって制限される。第1燃焼器排出温度の低減は消炎限界及び脈流消滅限界によって制限される。このため、希釈空気の流量の変化は、例えば、圧縮器排出空気流量と第1燃焼器及び第2燃焼器の点火温度と圧力分布対負荷比とを変化させた結果に全燃焼空気を比例させることによって、又は、供給制御システムによって形成される。
本発明の別の有利な実施形態によれば、第1燃焼器排出温度又は第2燃焼器流入温度はそれぞれガスタービン負荷に基づいて制御される。
本発明の別の有利な実施形態によれば、第1燃焼器排出温度又は第2燃焼器流入温度は、それぞれ燃焼圧力に基づいて、特に第1燃焼器もしくは第2燃焼器又は圧縮器プレナムもしくはタービン流入口での燃焼圧力に基づいて、制御される。
本発明の別の有利な実施形態によれば、点火時間の短いガス、特にH含量の大きいガス又は高次炭化水素C の含有比の大きいガスが燃料として使用される。例えば5%又は10%(モル%)より多くH又はC を含む燃料ガスが、高い割合のH又はC を含むガスであり、相応に、例えば95%又は90%より多いメタンを含む燃料ガスの点火時間に比べて短い点火時間を有するガスである。点火時間の短いガスとは、水素を含有する燃料が用いられる場合、95%のメタンと最大5%のHとを含む燃料ガスよりも短い点火時間を有するガスであり、高次炭化水素を含有する燃料が用いられる場合、95%のメタンと5%のC とを含む燃料ガスよりも短い点火時間を有するガスである。燃料ガスがH及びC を含む場合、「短い点火時間」の限界を求めるために、より短い点火時間が重要となる。
本発明のガスタービンの運転方法によって運転されるガスタービンは、圧縮器と、圧縮器からの圧縮空気を受け取る第1燃焼室及び第1バーナーを含む第1燃焼器と、第1燃焼器からの高温ガスを所定の第2燃焼器流入温度で受け取る第2燃焼室及び第2バーナーを含む第2燃焼器と、第2燃焼器からの高温ガスを受け取るタービンとを備える。本発明によれば、混合器が第1燃焼器と第2燃焼器とを直接に接続する高温ガス路に配置されており、この混合器は希釈空気供給部に接続されている。
本発明のガスタービンの別の有利な実施形態によれば、第1バーナーは燃料供給部に接続され、希釈空気供給部及び燃料供給部を制御するための制御ユニットが、第1燃焼器排出温度又は第2燃焼器流入温度のそれぞれを制御するために、希釈空気供給部及び燃料供給部に接続される。
本発明の別の有利な実施形態によれば、制御ユニットはガスタービン負荷を表す負荷信号に対する入力側を有する。
本発明の別の有利な実施形態によれば、制御ユニットはガスタービンの燃焼圧力を測定する圧力トランスデューサに接続された入力側を有する。
本発明の別の有利な実施形態によれば、制御ユニットは第2燃焼器流入温度又は第1燃焼器排出温度を測定する温度トランスデューサに接続された入力側を有する。
従来技術のガスタービンの動作コンセプトOPCでは、第2燃焼器流入温度TI,SEVが基本負荷から部分負荷までの負荷領域の全体にわたってほぼ一定に維持されている(第2燃焼器流入温度TI,SEVをガスタービンの相対負荷RLGTの関数として示した図4の曲線Dを参照)。図2に示されているように、CO発生量は部分負荷の下端側で著しく増大している。
本発明によれば、部分負荷動作(高い第1燃焼器排出温度)において高い第2燃焼器流入温度TI,SEVを用い、基本負荷動作において低い第2燃焼器流入温度TI,SEVを用いる動作コンセプトOPC(図4の曲線E)が適用される。部分負荷において高い第2燃焼器流入温度TI,SEVが用いられるため、このOPCでは、部分負荷動作時のCO排出量が図3,図5に示されている結果のように著しく低減される。図3ではCO排出量が第2燃焼器排出温度TE,SEVの関数として示されており、ここではパラメータTI,SEVが変化している(曲線AではTI,SEV=TI,SEV,A,曲線BではTI,SEV=TI,SEV,A−50K,曲線CではTI,SEV=TI,SEV,A−100Kである)。図5ではCO排出量が第2燃焼器炎温度TF,SEVの関数として示されており、ここでは、曲線Fは高い流入温度に関連しており、曲線Gは100Kだけ低い流入温度に関連している(曲線Fでは点P1に低減された最大点火ピークが示されており、部分負荷条件の点P2にバーンアウトが示されている。曲線Gでは基本負荷条件の点P3に均衡したCOが示されている)。
低圧によって長い点火時間が得られるため、部分負荷に対して特に炭素を基礎とした燃料(すなわち天然ガス、C2+など)に対して、フラッシュバック問題は発生しない。
同時に、第2燃焼器のバーナーは、圧力低下を格段に低減させる低流量率(ひいては低速)が得られるように設計される。
また、第2バーナー(例えばSEV)の最小速度(滞在時間)は最大圧力でのフラッシュバック限界によって定められる。基本負荷での流入温度が低下される(100%でのTI,SEV)と、点火時間が延長され、これにより付加的なフラッシュバックの危険なしにバーナーを低速で運転できる。つまり、NOx低減のためにより長い混合区間を構成できる。
図4の曲線Eによれば、ガスタービンは基本負荷では(第1燃焼器のガス温度が低い場合には)低いTI,SEVで運転され、部分負荷では(第1燃焼器のガス温度が高い場合には)高いTI,SEVで運転される。高圧タービンは第1燃焼器と第2燃焼器との間には配置されない。
本発明の第1の実施例では、図1の混合器22が希釈空気供給部23から供給される希釈空気を加混合して目標第2燃焼器流入温度TI,SEVを達成するために用いられる。
特に、混合器22では、燃料供給量の変化に加えて希釈空気流量も変化し、これにより第2燃焼器流入温度TI,SEVの大きな変化範囲を得ることができる。
本発明の方法の利点は、第1燃焼器ガス温度TI,SEVをいっそう上昇させることができるということである。従来技術では、高圧タービンを2つの燃焼器の間に配置して、一方の燃焼器を高圧タービンによって制限していたので、どちらの燃焼器も耐用期間が短くなり、又は、第1燃焼器の高温ガス温度が上昇する部分負荷動作に対して多量の冷却空気が必要となっていた。
本発明の方法の別の利点は、ガス燃料の組成が変化しても機関のパフォーマンスを損なうことなく、燃焼系を動作させられることである。なぜなら、部分負荷でのCO発生を起こしにくく、点火遅延時間が短いことを特徴としている反応性ガス燃料を、部分負荷動作時及び基本負荷動作時に第1燃焼器において低減でき、第2バーナー乃至第2燃焼器への全体的な流入温度を低下させることができるからである。ただし、第2燃焼器燃焼温度及びタービン流入温度は不変のままとどまる。従来技術のガスタービンの運転コンセプトOPCでは、反応性ガス燃料に対する第2バーナー流入温度を必要なだけ低下させると、高圧タービンの存在により、相応に機関のパフォーマンスの損失が発生していた。
部分負荷動作時に第1燃焼器の高温ガス温度を、基本負荷動作時の第1燃焼器の高温ガス温度の絶対値の10%又は20%より大きく上昇させることができる(従来技術ではこれは50K程度に制限されていた)。したがって、CO問題を効果的に緩和できる。
部分負荷動作時には第2燃焼器の高温ガス温度TE,SEVが低減され、典型的には圧縮器流入ガイドベーンが閉鎖される。低下したタービン流入温度を有する低減された流量により、基本負荷圧力の30%から60%の間の圧力が生じる。これにより、第2バーナーに対して大きな点火遅延時間が生じる。ゆえに、流速をフラッシュバック(圧力低下)のおそれなしに低減できるか、又は、短い点火時間のガス(大きい含量のH又は高濃度のC2+ガス)を燃焼させることができる。
第1燃焼器排出温度TI,SEVは、第1燃焼器への燃料流量を制御することによって、及び/又は、燃焼器排出部(図1の混合器22)で希釈空気を導入することによって、制御される。
本発明の別の実施例では、第1燃焼器14,17の排出温度がガスタービン負荷の関数として制御される。図1では、制御ユニット25が負荷信号LSを受信し、第1燃焼器14,17の燃料供給部18を制御する、及び/又は、混合器22の希釈空気供給部23を制御する。
本発明のさらに別の実施例では、第1燃焼器14,17の排出温度が燃焼圧力(例えば第1燃焼器もしくは第2燃焼器/圧縮器プレナム/タービン流入圧力)の関数として制御される。図1では、例えば、圧力トランスデューサ24が圧縮器プレナム内の圧力を測定し、制御ユニット25へ測定値を供給する。
10 ガスタービン、 11 ロータ、 12 ケーシング、 13 圧縮器、 14,15 燃焼室、 16 タービン、 17,19 バーナー、 18,20 燃料供給部、 21 高温ガス路、 22 混合器、 23 希釈空気供給部、 24 圧力トランスデューサ、 25 制御ユニット、 LTCO CO限界値、 LT 負荷限界値、 RLGT GT相対負荷、 TE,SEV 第2燃焼器排出温度、 TI,SEV 第2燃焼器流入温度、 TF,SEV 第2燃焼器炎温度、 A−G 曲線、 P1−P3 点、 LS 負荷信号

Claims (12)

  1. シーケンシャル燃焼部(14,15,17,19)として、圧縮器(13)と、前記圧縮器(13)からの圧縮空気を受け取る第1燃焼室(14)及び第1バーナー(17)を含む第1燃焼器(14,17)と、前記第1燃焼器(14,17)からの高温ガスを所定の第2燃焼器流入温度(TI,SEV)で受け取る第2燃焼室(15)及び第2バーナー(19)を含む第2燃焼器(15,19)と、前記第2燃焼器(15,19)からの高温ガスを受け取るタービン(16)とを備えており、
    前記高温ガスは、前記第1燃焼器(14,17)から前記第2燃焼器(15,19)へ、前記第1燃焼器(14,17)と前記第2燃焼器(15,19)とを直接に接続する高温ガス路(21)を介して供給され、混合器(22)が前記高温ガス路(21)内に設置されている、ガスタービン(10)の運転方法において、
    前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)を、前記ガスタービン(10)の基準負荷動作に対して低下させ、前記ガスタービンの負荷(RLGT)が基準負荷から部分負荷へ低下した場合に上昇させる、
    ことを特徴とするガスタービンの運転方法。
  2. 前記ガスタービン(10)の前記基準負荷動作に対し、希釈空気流を加混合することにより、及び/又は、前記第1燃焼器(14,17)における空燃比を低減することにより、前記第2燃焼器流入温度(T I,SEV )を低下させる、請求項1記載のガスタービンの運転方法
  3. 前記ガスタービンの負荷(RL GT )が基準負荷から部分負荷へ低下した場合に、第1燃焼器排出温度を上昇させることにより、及び/又は、前記基準負荷動作時の希釈空気流に対して希釈空気流を低減させることにより、前記第2燃焼器流入温度(T I,SEV )を上昇させる、請求項1又は2記載のガスタービンの運転方法
  4. 前記第1燃焼器(14,17)からの高温ガスに希釈空気を加混合することにより、前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)を低下させる、請求項1から3までのいずれか1項記載のガスタービンの運転方法。
  5. 前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)の変化幅を増大させるために、前記希釈空気の流量を変化させる、請求項記載のガスタービンの運転方法。
  6. 前記第1燃焼器(14,17)の排出温度又は前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)をそれぞれガスタービン負荷(LS)に基づいて制御する、請求項1記載のガスタービンの運転方法。
  7. 前記第1燃焼器(14,17)の排出温度又は前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)をそれぞれ前記第1燃焼器もしくは前記第2燃焼器又は圧縮器プレナムもしくはタービン流入口での燃焼圧力に基づいて制御する、請求項1記載のガスタービンの運転方法。
  8. 点火時間の短い、H含量の大きいガス又はC 濃度の高いガスを燃料として使用する、請求項1記載のガスタービンの運転方法。
  9. 請求項1からまでのいずれか1項記載の方法によって運転されるガスタービン(10)であって、
    圧縮器(13)と、前記圧縮器(13)からの圧縮空気を受け取る第1燃焼室(14)及び第1バーナー(17)を含む第1燃焼器(14,17)と、前記第1燃焼器(14,17)からの高温ガスを所定の第2燃焼器流入温度(TI,SEV)で受け取る第2燃焼室(15)及び第2バーナー(19)を含む第2燃焼器(15,19)と、前記第2燃焼器(15,19)からの高温ガスを受け取るタービン(16)とを備えるガスタービンにおいて、
    混合器(22)が前記第1燃焼器(14,17)と前記第2燃焼器(15,19)とを直接に接続する高温ガス路(21)に配置されており、前記混合器(22)は希釈空気供給部(23)に接続されている
    ことを特徴とするガスタービン。
  10. 前記第1バーナー(17)は燃料供給部(18)に接続されており、前記希釈空気供給部(23)及び前記燃料供給部(18)を制御するための制御ユニット(25)が、前記第1燃焼器(14,17)の排出温度又は前記第2燃焼器流入温度(TI,SEV)のそれぞれを制御するために前記希釈空気供給部(23)及び前記燃料供給部(18)に接続されている、請求項記載のガスタービン。
  11. 前記制御ユニット(25)はガスタービン負荷を表す負荷信号(LS)に対する入力側を有する、請求項10記載のガスタービン。
  12. 前記制御ユニット(25)は前記ガスタービン(10)の燃焼圧力を測定する圧力トランスデューサ(24)に接続された入力側を有する、請求項10記載のガスタービン。
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