JP6888932B2 - 燃焼タービンによって放出される固体粒子の量を制御するプロセスおよび装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼タービンまたはガスタービンに関し、具体的には、液体燃料の燃焼中にガスタービンによって放出された固体粒子の濃度の制御に関する。
幅広い液体燃料が、燃焼タービン供給用に利用されている。これには、主に、重燃料油、原油、重蒸留油もしくは軽蒸留油、ガスオイル、ケロシン、ナフサ、バイオディーゼル、バイオエタノール等が含まれる。
重油タイプの燃料は、バナジウム、および硫黄などの他のタイプの汚染物質を含有し、したがって、その燃焼により固体粒子に類似する固形の灰を生成する。
燃焼タービンの構成における燃焼システムの性能に基づいて、液体燃料または気体燃料は、煙突を通じて大気へ放たれる塵または灰の放出、および一般に固体粒子の放出を引き起こし得る。
固体粒子の中で、煤は塵の有機成分に相当し、かなりの部分まで炭素、水素、および場合によっては酸素および窒素を含む。
固体粒子は、ミネラル成分も含有し、一般にアルカリ金属または重金属からなり得る。
国々にわたって世界的にまたは局地的に課せられる燃焼タービンに関しての規制は、大気への固体粒子の放出について最大限界を設定する。
例えば、液体燃料を使用する燃焼タービンがその定格速度で働いているとき、固定された燃焼タービンから大気への塵の放出の最大値は、５０ｍｇ／Ｎｍ3であるべきである。
放出される固体粒子の量を制限するために、一般に燃焼触媒が使用される。
装置における煤放出を減少できる異なるタイプの燃焼触媒が存在する。燃焼触媒の選択は、燃料のタイプ、使用される装置のタイプ、および規則により課される固体粒子の最大濃度による。
前述したことに鑑みて、本発明の目的は、燃焼タービンの運転体制にかかわらず、燃焼タービンによって放出される固体粒子の量を制御することにある。
したがって、本発明の主な目的は、燃焼中に発生する固体粒子の量を減少させるのに適した燃焼触媒を注入することによって、液体燃料の燃焼中に燃焼タービンによって放出される固体粒子の量を制御する方法を提供することである。
本方法は、以下のステップを含む。
燃焼中に放出される粒子の量を測定するステップ。
測定される粒子の量が最大閾値よりも高いときに、燃焼触媒を燃焼タービンに注入するステップ。
測定した粒子の量が最小閾値より少ないときに触媒の注入を停止するステップ。
これらのプロセスのステップは、触媒の注入のヒステリシスを心に留めて周期的な段階を実施することを可能にし、したがって、放出される粒子の量のより正確な制御および／または燃焼触媒の消費の最適化を可能にする。
有利には、燃焼タービンの炎の温度は、１３６３Ｋ（１０９０℃）以上である。
例えば、触媒は、燃焼タービンの燃焼システムの上流で液体燃料システム供給管路に注入される。
あるいは、触媒は、燃焼タービンユニットに直接注入することができる。
有利には、粒子濃度の最大閾値は、４５ｍｇ／Ｎｍ3と５５ｍｇ／Ｎｍ3との間である。この濃度範囲は、規制当局によって世界中で課せられている大気への粒子の放出についての最大限界値に関する。
最小目標値に関しては、この粒子濃度は、２０ｍｇ／Ｎｍ3と３０ｍｇ／Ｎｍ3との間である。
好ましくは、燃焼触媒は、酸化鉄（ＩＩＩ）、酸化セリウム（ＩＩＩ）、酸化セリウム（ＩＶ）、およびそれらの混合物から選択される少なくとも要素を含む。
好ましくは、放出される粒子の量は、常時測定される。
本発明は、液体燃料使用時に燃焼タービンによって放出される固体粒子の量を制御することも目的とし、装置が発生する粒子の量を減少させるのに適した燃焼触媒を注入する手段を含む。
このシステムは、測定した粒子の量が最大閾値よりも高いときに燃焼触媒を燃焼タービンに注入し、測定した粒子の量が最小目標値に達しているときに触媒の注入を停止するように、放出される粒子の量を測定する手段と、注入手段を制御するのに適した中央制御ユニットともを備える。
本発明は、上記のような制御システムを備えたガスタービン装置にも関する。
本発明の他の目的、特徴、および利点は、非限定の例によってのみ与えられる以下の説明において、添付図面を参照して与えられる。
まず第１に、本発明の一実施形態による燃焼タービンシステムの構造を例示する図１を参照下さい。
見ることができるように、全体的な参照符号１によって示される燃焼タービンは、燃焼タービンの入口において入れられた周囲空気の圧縮を可能にする圧縮機２と、圧縮機からの圧縮空気が燃料と混合され点火される１つまたは複数の燃焼室３と、点火されたガスが膨張させられて圧縮機を駆動するための機械的エネルギーを発生させるとともに燃焼タービンを組み込む用途に必要な機械的エネルギーを与えるターボエクスパンダ４とを連続的に備える。
出口において、気体は、煙突７を通じて外側に排気するためにエネルギー回収ボイラ６に接続された排気系５によって回収される。
燃焼室３は、燃料源９に接続されているとともに流量調整器１０を装備した吸い込み管路８を通じて燃料、この場合には液体燃料が供給される。
より前に示したように、燃焼室３内の燃焼は、煤などの固体粒子を発生する。これらの粒子は、ターボエクスパンダ４、排気系５、ボイラ６を通過し、煙突７によって外側に放出される。
燃焼タービンシステム１は、固体粒子の量、より詳細には燃焼中に発生する固体の濃度を減少させるために、燃焼触媒をガスタービンに注入する注入手段１０を備える。
注入手段１０は、燃焼触媒を燃焼室に注入するように燃焼室３に直接接続することができる。
それらは、示したように、燃焼触媒を供給管路８に注入するように液体燃料供給管路８にやはり接続することができる。
注入手段１０は、中央制御ユニット１１と、煙突１２の出口において放出された粒子の濃度を測定するためのデバイス１２と、供給管路８内の液体燃料流量を測定するための測定デバイス１３とを備える。
中央制御ユニット１１は、第１の制御段１４を備えており、第１の制御段１４は、燃焼触媒Ｑｒｅｆｃａｔの基準流量値が燃料Ｑｒｅｆｃｏｍｂの基準流量値の関数として記憶されているマッピング１５を備える。測定デバイス１３によって送り届けられる燃料ＱＦの流量値から、第１の制御段１４は、マッピング１５から指令用の触媒流量値Ｃｃａｔを取り出す。
言い換えると、それは、燃焼触媒注入流量を液体燃料流量の関数として適合させることに関し、それ自体は例えばオルタネータなどの燃焼タービンによって駆動される要素のチャージレベルに依存する。
中央制御ユニット１１は、第２の制御段１６も備え、第２の制御段１６は、測定デバイス１２によって与えられる煤流量値Ｑｓｕｉｅｓを受信する。これらの測定値は、コンパレータ１７および１８を用いて最大閾値および最小目標値と比較される。
コンパレータ１７および１８の出力は、例えば、ＲＦロッカによって構成された組み合わされた論理回路へ供給され、ＲＦロッカの出力は、閾値に関連して煤の濃度の値に依存する。
ＲＦロッカの出力は、煤濃度Ｑｓｕｉｅｓが最大閾値よりも高ければ、高レベルに切り替え、煤濃度が最小目標値に到達すれば低レベルに切り替え、煤濃度が最小目標値と最大閾値の間にあるならばその状態を維持する。
燃焼触媒注入手段１０は、２つの冗長触媒注入管路Ｌ１およびＬ２を備え、一方は装置が正常動作している間に使用されることが意図された注入管路であり、他方は任意の非常注入管路である。注入管路それぞれは、２つの注入管路Ｌ１およびＬ２の動作またはシャットダウンを制御するためのスイッチ型の第１のコンポーネント１９、ならびに注入管路Ｌ１およびＬ２の動作を選択的に制御するやはりスイッチ型の２つのコンポーネント２０および２１を通じて組み合わされた論理回路７から来る指令信号Ｃｄｅ１およびＣｄｅ２によって制御される。
各注入管路Ｌ１およびＬ２は、燃焼触媒供給システム２２から供給され電気モータＭによって駆動されるそれぞれＰ１およびＰ２のドーシングポンプを備え、電気モータＭ自体は、指令触媒流量信号Ｃｃａｔを受信し指令信号Ｃｄｅ１およびＣｄｅ２によって駆動される変換器２４を通じて２３などの代替源によって電力供給される。各ドーシングポンプＰ１およびＰ２の出力は、２５などの弁を介して液体燃料供給管路８に接続されている。
そして、中央制御ユニット１１が測定デバイス１２によって測定された煤濃度が最大閾値よりも高いことを検出するとき、中央制御ユニット１１は、燃料流量および基準触媒流量の関数としてマッピング１５から受信した燃焼触媒流量Ｃｃａｔを送るようにモータＭに電力を供給するために、指令信号Ｃｄｅ１を高レベルに維持することによってドーシングポンプを命令する。
固体粒子の濃度が最小目標値よりも低くなる場合、燃焼触媒の注入は停止される。
例えば、１００ＭＷの定格電力を発生させ、液体燃料を約３２トン／時で消費する燃焼タービンについては、燃焼触媒流量と液体燃料流量との間の比は、０．００３％と０．００６％の間であることが好ましく、これは、燃焼触媒１ｋｇ／時と２ｋｇ／時との間を表す。中央制御ユニット１１は、煤粒子の測定した濃度レベルに従ってドーシングポンプを制御する。
最大濃度閾値よりも上、例えば４５ｍｇ／Ｎｍ3と５５ｍｇ／Ｎｍ3の間で、中央制御ユニット１１は、ドーシングポンプを開始する。目標値未満、例えば２０ｍｇ／Ｎｍ3と３０ｍｇ／Ｎｍ3の間で、中央制御ユニット１１は、ドーシングポンプを停止する。
好ましくは、最大閾値および目標値は、それぞれ５０ｍｇ／Ｎｍ3および２５ｍｇ／Ｎｍ3に設定される。濃度レベルの常時監視は、後でドーシングポンプを再開することを可能にする。
より前に示したように、第１の注入Ｌ１管路が故障である場合、第２の注入Ｌ１管路が起動されて信号Ｃｄｅ２およびＣｃａｔに基づいて触媒注入を確実にする。
次に図２を参照させていただくと、これは説明した制御のシステムの動作を示す。
この図は、時間の関数（曲線Ａ）として粒子の濃度の変化を示すとともに、タービンの内壁に堆積した触媒層の厚さＤ１，．．．，Ｄｎ，Ｄｎ＋１の時間に依存した展開を示す。
図２にそれが見られ得るように、したがって、燃焼触媒の注入の段階は、燃焼タービンの運転中に周期的なやり方で実施される。
燃焼触媒注入の２つの周期の間の間隔は、装置の構成に基づいている。連続注入の２つのサイクル間の期間（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔｎ−１、Ｔｎ、Ｔｎ＋１など）は、装置の使用時間に応じて増加する。しかしながら、Ｔｎは、燃焼触媒注入の２つのサイクル間の最大期間に対応する。Ｔｎ＋１は、Ｔｎ未満またはＴｎに等しい。
しかしながら、注入された活性燃焼触媒粒子は、装置の壁に付着し、時間の関数として変化する厚さの活性剤層を形成し、固体粒子をＣＯ2に変換する触媒効果をもたらすことに留意されたい。
燃焼触媒注入が中断された後、壁に付着している活性粒子は、その触媒変換作用を継続する。触媒注入が中断されたとき、燃焼気体の移動および／または伝搬を受ける活性粒子の層は、煙突に向けて徐々に運ばれ、同時に消費される傾向にある。結果として、活性粒子の消費は、全ての活性粒子が消費されたときに触媒作用は消滅するようになっている。燃焼触媒の新たな注入を進める必要があるのはこのときである。
これが行われているとき、この作用によって、間隔をおいて燃焼触媒注入シーケンスを実行することが可能になり、その期間は時間とともに減少し、一方、注入停止シーケンスは、装置の壁にある活性粒子が飽和することに相当する限界まで反比例して増加する。この飽和現象は、堆積物の層の厚さおよび燃焼気体の伝搬速度に関連している。言い換えれば、燃焼気体の速度の影響下で、堆積物は不安定であり、壁から剥がれ落ちる傾向があるので、活性粒子の層は、無限に厚くならない。燃焼触媒注入間隔は、２５ｍｇ／Ｎｍ3 よりも高いおよび５０ｍｇ／Ｎｍ3よりも低い粒子濃度の測定値の結果に依存する。この間隔の期間は、燃焼装置の壁の内面、排ガス流量、および温度次第である。
燃焼室に供給するのに使用される燃料は、様々なタイプがあり得る。例えば、重燃料油、原油、重蒸留油もしくは軽蒸留油、ガスオイル、ケロシン、ナフサ、バイオディーゼル、バイオエタノールを使用することができる。しかしながら、他の液体燃料タイプを用いることは、本発明の範囲を越えていないことに留意されたい。
酸化セリウム（ＩＩＩ）、酸化セリウム（ＩＶ）、または酸化鉄、あるいはこれらの触媒の混合物を酸化触媒として使用することができる。煤を二酸化炭素に変換する化学反応は以下の通りである。
酸化セリウム（ＩＶ）の場合、この反応は以下の通りである。
４ＣｅＯ2＋Ｃ（ｓｕｉｅｓ）→２Ｃｅ2Ｏ3＋ＣＯ2
セリウム（ＩＩＩ）の場合、この反応は以下の通りである。
セリウム（ＩＩＩ）の場合、この反応は以下の通りである。
Ｃｅ2Ｏ3＋１／２Ｏ2→２ＣｅＯ2、および
４ＣｅＯ2＋Ｃ（ｓｕｉｅｓ）→２Ｃｅ2Ｏ3＋ＣＯ2
セリウム（ＩＩＩ）は、以下のフレームにおいて酸素の存在により、セリウム（ＩＶ）に変換されることに留意されたい。
４ＣｅＯ2＋Ｃ（ｓｕｉｅｓ）→２Ｃｅ2Ｏ3＋ＣＯ2
セリウム（ＩＩＩ）は、以下のフレームにおいて酸素の存在により、セリウム（ＩＶ）に変換されることに留意されたい。
Ｃｅ2Ｏ3＋１／２Ｏ2→２ＣｅＯ2
１ 燃焼タービン、燃焼タービンシステム
２ 圧縮機
３ 燃焼室
４ ターボエクスパンダ
５ 排気系
６ エネルギー回収ボイラ、ボイラ
７ 煙突、組み合わされた論理回路
８ 吸い込み管路、液体燃料供給管路、供給管路
９ 燃料源
１０ 流量調整器、注入手段、燃焼触媒注入手段
１１ 中央制御ユニット
１２ デバイス、煙突
１３ 測定デバイス
１４ 第１の制御段
１５ マッピング
１６ 第２の制御段
１７ コンパレータ
１８ コンパレータ
１９ 第１のコンポーネント
２０ コンポーネント
２１ コンポーネント
２２ 燃焼触媒供給システム
２３ 代替源
２４ 変換器
２５ 弁
２ 圧縮機
３ 燃焼室
４ ターボエクスパンダ
５ 排気系
６ エネルギー回収ボイラ、ボイラ
７ 煙突、組み合わされた論理回路
８ 吸い込み管路、液体燃料供給管路、供給管路
９ 燃料源
１０ 流量調整器、注入手段、燃焼触媒注入手段
１１ 中央制御ユニット
１２ デバイス、煙突
１３ 測定デバイス
１４ 第１の制御段
１５ マッピング
１６ 第２の制御段
１７ コンパレータ
１８ コンパレータ
１９ 第１のコンポーネント
２０ コンポーネント
２１ コンポーネント
２２ 燃焼触媒供給システム
２３ 代替源
２４ 変換器
２５ 弁
Claims (10)
- 燃焼中に発生する固体粒子の量を減少させるのに適した燃焼触媒を注入することによって液体燃料の燃焼中に燃焼タービン（１）によって放出される固体粒子の量を制御する方法であって、当該方法が、
燃焼中に放出される固体粒子の量（Ｑｓｕｉｅｓ）を測定するステップと、
前記燃焼タービンに供給される液体燃料の流量を測定するステップと、
測定された固体粒子の量が最大閾値よりも高いときに、前記燃焼触媒の流れを前記燃焼タービン（１）に注入するステップであって、前記燃料タービンに注入される燃焼触媒の流れの量が、測定された液体燃料の流量の関数である、ステップと、
測定された固体粒子の量が最小目標値よりも低いときに前記燃焼触媒の流れの注入を停止するステップと
を含む、方法。 - 前記燃焼タービン（１）の炎の温度が１３６３Ｋ以上である、請求項１に記載の方法。
- 前記燃焼触媒が、前記燃焼タービン（１）の燃焼システムの上流で前記液体燃料システムの供給管路（８）に注入される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 前記燃焼触媒が、前記燃焼タービン（１）の燃焼システムの燃焼室（３）に注入される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 前記最大閾値が、４５ｍｇ／Ｎｍ３ 〜５５ｍｇ／Ｎｍ３ の範囲内の固体粒子濃度である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記最小目標値が、２０ｍｇ／Ｎｍ３ 〜３０ｍｇ／Ｎｍ３ の範囲内の固体粒子濃度である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記燃焼触媒が、酸化鉄（ＩＩＩ）、酸化セリウム（ＩＩＩ）、酸化セリウム（ＩＶ）及びそれらの混合物から選択される少なくとも要素を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
- 放出される固体粒子の濃度が、常時測定される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
- 液体燃料の燃焼中に燃焼タービン（１）によって放出される固体粒子の量を制御するシステムであって、
燃焼中に放出される固体粒子の量（Ｑｓｕｉｅｓ）を測定するデバイス（１２）と、
前記燃焼タービンに供給される液体燃料の流量を測定するデバイス（１３）と、
燃焼触媒の流れを前記燃焼タービン（１）に注入する注入手段（１０）と、
測定された固体粒子の量が最大閾値よりも高いときに前記燃焼触媒の流れを前記燃焼タービン（１）に注入し、かつ測定された固体粒子の量が最小目標値よりも低いときに前記燃焼触媒の流れの注入を停止するように構成された中央制御ユニット（１１）であって、前記燃料タービンに注入される燃焼触媒の流れの量が、測定された液体燃料の流量の関数である、中央制御ユニット（１１）と
を備える、システム。 - 請求項９に記載のシステムを備える、タービンガスタイプの装置。
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