JPH10205355A - 燃焼ガスタービン装置及びその運転方法 - Google Patents

燃焼ガスタービン装置及びその運転方法

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JPH10205355A
JPH10205355A JP10011368A JP1136898A JPH10205355A JP H10205355 A JPH10205355 A JP H10205355A JP 10011368 A JP10011368 A JP 10011368A JP 1136898 A JP1136898 A JP 1136898A JP H10205355 A JPH10205355 A JP H10205355A
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combustion gas
gas turbine
combustor
bypass
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JP10011368A
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S Brisch Michael
マイケル・エス・ブリーッシュ
J Alva George
ジョージ・ジェイ・アルバ
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Westinghouse Electric Corp
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C7/22—Fuel supply systems
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望ならば燃料を約３１６℃（６００°Ｆ）
以上に加熱することができ、単サイクルもしくは複合サ
イクル燃焼ガスタービン発電プラントで使用することが
できる簡素で経済的な燃焼ガスタービンの燃料加熱装置
とその運転方法を提供する。 【解決手段】 燃焼ガスタービン装置２０は、燃焼器３
０に接続された燃料管路５０を備え、該燃料管路の一部
分は、燃料が燃焼器に導入される前に排出ガスによって
加熱されるように燃焼ガスタービン２８の排出ガスと熱
伝達関係で配置される。燃焼ガスタービン装置はまた、
燃焼器に導入される燃料の温度を制御するために、未加
熱燃料と加熱燃料とを混合するための燃料バイパス制御
系６０をも備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼ガスタービン
発電プラントに関し、特に、燃焼ガスタービン発電プラ
ントのための燃料加熱システムもしくは装置と運転方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】燃焼ガ
スタービン装置において、燃焼用の空気及び燃料を予熱
するために、燃焼ガスタービンからの排出ガスを間接的
に利用することは当該技術分野において知られている。
従来の燃焼ガスタービン装置においては、燃焼ガスター
ビンからの排出ガスにより、水のような中間流体を加熱
し、この加熱された流体を用いて燃焼用燃料を加熱する
中間熱交換器が用いられている。この種のタービン装置
もしくはシステムは、付加的な熱交換器に起因しコスト
高であり、而も、排出ガスの熱を充分に利用することが
できない。
【０００３】米国特許第５,９３２,２０４号明細書に開
示されている従来方式においては、エコノマイザ部を流
れる水の流量を、蒸発器部における蒸気発生率に見合う
流量を越えるレベルまで増加することにより、燃焼ガス
タービンの排出ガスにおける利用可能な熱を回収しう
る。過剰分の水流量は、蒸発器温度に近い温度で熱回収
蒸気発生器から取り出されて、燃焼ガスタービンの燃焼
器に供給される燃料を予熱するのに使われる。
【０００４】燃料の予熱に関する別の試案として、燃焼
ガスタービンのロータ空冷器からの廃熱を、燃料の温度
を約３１６℃（６００°Ｆ）以上に上昇するのに用いる
ことが提案されている。このようなロータ空冷器の廃棄
エネルギの利用における１つの欠点は、タービンの可能
な運転負荷範囲に亙ってロータに対し所要の冷却を維持
しつつ同時に比較的に一定の燃料温度を保証するために
複雑な構成及び入念な制御が要求されることである。
【０００５】従って、所望ならば燃料を約３１６℃（６
００°Ｆ）以上に加熱することができ、而も単サイクル
もしくは複合サイクル燃焼ガスタービン発電プラントで
使用することができる簡素で経済的な燃焼ガスタービン
の燃料加熱装置に対する必要性が存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明が提案する燃焼ガ
スタービン装置は、燃焼器に接続された燃料管路を備
え、該燃料管路の一部分を燃焼ガスタービンから排出さ
れる排出ガスと熱伝達関係に配置し、それにより、燃料
を、燃焼器に導入される前に上記排出ガスにより加熱す
る。本発明による燃焼ガスタービン装置はまた、燃焼器
に導入される燃料の温度を制御するために、加熱されて
いない燃料（未加熱燃料とも称する）と加熱されている
燃料（加熱燃料とも称する）と混合するための燃料バイ
パス制御系を備えることができる。
【０００７】燃料管路の一部分は、燃焼ガスタービンの
排気筒内に配設してもよいし、或いはまた燃料管路と熱
伝達関係で流れる排出ガスの流量を制御したり該排出ガ
スの流れを中断することができるように、別個の流路に
配設することもできる。また、上記燃料管路の一部分
は、熱回収蒸気発生器部或いは該熱回収蒸気発生器に接
続された別個の流路に配設して、該燃料管路と熱伝達関
係で流れる排出ガスの流量を類似の仕方で制御するよう
にしても良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照し、本発明
の好適な実施の形態に関し説明する。本発明は、以下の
説明から一層明瞭に理解されるであろう。
【０００９】図１を参照するに、燃焼ガスタービン装置
もしくはシステム２０は、当該技術分野で周知の仕方で
圧縮機２６及び燃焼ガスタービン２８にロータ２４を介
して接続された発電機２２を含む。同様に、当該技術分
野で周知のものから選択することができる燃焼器３０
が、一端で圧縮機２６に、他端でタービン２８に接続さ
れている。
【００１０】圧縮機２６には、該圧縮機２６に空気を供
給するために吸気管路３２が接続されている。圧縮機２
６は、第１の配管３４により燃焼器３０に接続されてお
って、圧縮機２６により圧縮された空気を燃焼器３０に
導く。燃焼器３０においては、圧縮空気及び燃料が周知
の仕方で燃焼されて、それにより熱圧縮駆動ガスが生成
される。該駆動ガスは、第２の配管３６により燃焼器３
０からタービン２８に導入されて該タービン２８を駆動
する。駆動ガスにより駆動されるタービン２８はロータ
２４を回転する。該ロータ２４は、圧縮機２６及び発電
機２２を駆動し、当該技術分野で周知のように電気が発
生される。
【００１１】タービン２８からの排出ガスは、第３の配
管３８により、排気筒４０に導びかれ、そこから、ター
ビン２８で発生した排ガスは大気中に排出される。典型
例において、排気筒４０内の排ガスの温度は、約４２７
℃（８００°Ｆ）を超える。利用するのが望ましいの
は、この廃熱である。
【００１２】図示しない燃料源から燃料管路５０が燃焼
器３０に延在しておって燃料を燃焼器３０に供給する。
燃料管路５０は、排気筒４０を流れる熱い排ガスと熱交
換を行うように排気筒４０内に配置された熱交換部５２
を備えることができる。燃料管路５０は、燃焼ガスター
ビン装置において通例のように、液体燃料或いはメタン
のようなガス燃料を送給することができる。実際例とし
て、燃料成分の熱分解を阻止するために、液体燃料の加
熱は、約９３℃（２００°Ｆ）の低い温度に制限され
る。しかし、天然ガスは、主成分であるメタンに加えて
ガス中に存在する高分子量の炭化水素の割合に依存する
が、一般に、約５３８℃（１０００°Ｆ）まで加熱する
ことができる。各燃料を加熱するのに望ましい温度は燃
料の分析により求めることができる。該温度は、燃焼器
内にコークスが発生したり、或いは燃焼プロセスに悪影
響を与えるような燃料成分の過度の分解が阻止されるよ
うに設定すべきである。
【００１３】燃料供給温度を制御するために、燃焼ガス
タービン装置２０はまた、バイパス燃料制御系６０を備
えることができる。該バイパス燃料制御系６０は、熱交
換部５２の上流側の箇所並びに該熱交換部５２の下流側
の別の箇所で燃料管路５０に接続されたバイパス燃料管
路６２を備え、それにより、図１に示すように熱交換部
５２を側路（即ち、バイパス）する構成にすることがで
きる。バイパス燃料制御系６０はまた、バイパス燃料管
路６２に配設されたバイパス流量制御弁６４と、燃焼器
３０の近傍で、燃料管路５０に電気的に接続され且つ燃
焼器３０に流入する燃料の温度を監視してバイパス燃料
管路６２を流れる加熱されていない燃料の流量を変える
ための温度制御器もしくはコントローラ６６を備えるこ
とができる。この制御機能は、既存の燃焼ガスタービン
制御系内で実現することも可能である。また、温度コン
トローラ６６は、バルテック社（Valtek Company）から
入手可能な「Logix 2000」ディジタル位置決め装置とす
ることができ、そして制御弁６４は、フィッシャー社
（Fisher Company）から入手できる玉型弁もしくはボー
ル弁とすることができる。燃料源から燃料管路５０を流
れる燃料の一部分は、バイパス燃料管路６２により側路
されて加熱されない状態に留どまり、他方、他の燃料は
熱交換部５２を流れて、そこで加熱される。加熱されな
いバイパス燃料流量及び加熱された燃料流量は、そこ
で、熱交換部５２の下流側に設けられた燃料管路５０で
合流して燃焼器３０内に流入する。このように加熱され
た燃料及び加熱されていない燃料を混合することによ
り、加熱された燃料の温度を所望のレベルに低下するこ
とができる。燃焼器３０に流入する燃料の温度を増加し
たい場合には、温度コントローラ６６を調節して、バイ
パス燃料管路６２を介し熱交換部５２の下流側で燃料管
路５０内に流入する加熱されていない燃料の流量が制御
弁６４により減少されるような設定点を有効にし、それ
により燃焼器３０に流入する燃料の温度を高めることが
できる。同様に、温度コントローラ６６を低い設定点に
調節することにより、バイパス燃料管路６２を流れる燃
料流量を増加することができる。このようにして、燃焼
器３０に流入する燃料の温度を自動的に制御することが
可能である。
【００１４】典型的な１５０ＭＷのタービンにおいて
は、燃料は、燃料源から略周囲温度で燃料管路５０に流
入し、燃料の一部分はバイパス燃料管路６２を流れ、残
余の部分は熱交換部５２を流れる。全負荷時に排気筒５
０を流れる排出ガスの温度は約５９３℃（１１００°
Ｆ)である。約３６２８８ｋｇ／時(８００００ｌｂ／ｈ
ｒ）で、熱交換部５２を流れる天然ガス燃料の場合に
は、燃料は、約３１６℃（６００°Ｆ）乃至約３９９℃
（７５０°Ｆ）で熱交換部５２から流出する。従って、
温度コントローラ６６は、約３１６℃（６００°Ｆ）に
設定することができる。この場合には、制御弁６４は、
約０〜２００００ｌｂ／ｈｒ(９,０７２ｋｇ／）時とす
ることができる充分な量の未加熱燃料がバイパス燃料管
路６２を流れて、熱交換部５２の下流側に設けられた燃
料管路５２内で加熱燃料と混合し、それにより管路内の
燃料の温度を約３１６℃まで減少するように温度コント
ローラ６６によって自動的に調節される。
【００１５】燃焼ガスタービン装置の別の実施の形態に
おいては、流量制御弁を有する直接燃料管路６８を燃料
管路５０から燃焼器３０に延在するように組み入れるこ
とができる。この直接燃料管路６８は、燃焼器３０に未
加熱燃料（加熱されていない燃料）を直接供給する手段
を構成する。この配列構成は、燃焼器３０において個別
に制御される燃焼段が用いられ、適切な動作を確保する
ために該燃焼段の内の１つに未加熱燃料が要求されるよ
うな場合に望ましい。このような燃焼器の一例として、
拡散炎パイロット段及び１つ又は複数の希薄燃焼段が設
けられた乾式低ＮＯx(窒素酸化物）燃焼器が挙げられ
る。この場合、パイロット段には未加熱燃料が供給さ
れ、他方、希薄燃焼段は加熱燃料の燃焼に最適となるよ
うに設計することが要求される。
【００１６】このように、この実施形態による燃焼ガス
タービン装置２０においては、燃焼器に供給される燃料
の温度を正確且つ自動的に制御することができる手段が
設けられている。燃料の温度の制御は、乾式低ＮＯx 燃
焼ガスタービンにおいては特に重要である。その理由
は、このタービン装置における燃焼器の希薄燃焼段は、
特定の温度の燃料に対して最適化されており、従って、
燃料の温度が該特定の温度から顕著に異なる場合には、
所望の放出レベルを達成することができないからであ
る。
【００１７】別の実施形態を示す図２を参照するに、排
気筒４０は、排出ガスの一部分が通流しうるように該排
気筒に接続されたバイパス通路７０を備えている。該通
路７０は、そこを流れる排出ガスの流量を制御するため
に配設されたダンパ７２を備えることができる。この代
替実施形態においては、燃料管路５０の熱交換部５２
は、熱交換部５２と熱交換関係にある排出ガスの流量
を、手動又は自動的にダンパ７２を調節することによ
り、制御もしくは阻止するように、ダンパ７２の下流側
で通路７０に設けることができる。
【００１８】図３は、熱交換部５２が熱回収蒸気発生器
８０内に設けられている燃焼ガスタービン装置２０の変
形例を示す。この変形実施形態においては、タービン２
８からの排出ガスは、熱回収蒸気発生器８０内に配置さ
れている熱交換部５２と熱伝達関係で該熱回収蒸気発生
器８０を流れる。
【００１９】図４は、図３に示した実施形態の変形例を
示す図であり、この図４に示すタービン装置において
は、熱回収蒸気発生器８０に、バイパス通路８２が設け
られ、排出ガスの一部分がこのバイパス通路８２を流れ
るように構成されている。熱回収蒸気発生器の主部と通
路８２との間には、該通路８２内に配置されている熱交
換部５２と熱伝達関係で該通路８２を流れる排出ガスの
流量を制御するために弁８４が配設されている。
【００２０】以上、本発明の好適な実施形態に関して説
明したが、本発明は、その教示及び範囲から逸脱するこ
となく他の特定の形態で具現することが可能である。
【００２１】上の説明から明らかなように、本発明は、
簡素で且つ経済的であって、所望ならば燃料を約３１６
℃以上に加熱することができ、而も単サイクルもしくは
複合サイクル燃焼ガスタービン発電プラントで使用する
ことができる燃焼ガスタービン燃料加熱システムを提供
するものである。
【００２２】また、当業者は、上述の説明が単に例示的
であり、本発明を決して限定する意図のないことを認識
するであろう。従って、本発明は、添付請求項だけでな
く、下記の項目に記載の概念もその保護の対象とするこ
とができる。 （ａ） 前記燃料管路の前記一部分が、前記タービンか
ら排出された前記燃焼ガスと熱伝達関係で配設される請
求項１に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｂ） 前記燃料管路の前記一部分が、前記タービンの
下流側で前記燃焼ガスと熱伝達関係で配設される上記
（ａ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｃ） 前記燃焼ガスを大気中に排出するために前記タ
ービンに接続された排気筒を更に含む上記（ｂ）項に記
載の燃焼ガスタービン装置。 （ｄ） 前記燃料管路の前記一部分が前記燃焼ガスと熱
伝達関係で前記排気筒内に配設される上記（ｃ）項に記
載の燃焼ガスタービン装置。 （ｅ） 前記燃焼器に、加熱されていない未加熱燃料を
送るバイパス燃料系を更に含む上記（ｄ）項に記載の燃
焼ガスタービン装置。 （ｆ） 前記バイパス燃料系が、前記燃料の供給源及び
前記燃焼器に接続されて未加熱燃料を前記燃焼器に供給
するためのバイパス燃料管路を備える上記（ｅ）項に記
載の燃焼ガスタービン装置。 （ｇ） 前記バイパス燃料系が、更に、前記燃焼器に供
給される前記加熱された燃料及び前記未加熱燃料の量を
制御するために前記燃料管路に接続された制御手段を備
える上記（ｆ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｈ） 前記制御手段が、前記バイパス燃料管路に配設
されて該バイパス燃料管路を流れる燃料の量を変える制
御弁手段と、前記バイパス燃料管路の下流側で前記燃料
管路に電気的に接続されると共に、前記制御弁手段に電
気的に接続されて、前記燃焼器に流入する前記燃料の温
度を検知し、前記バイパス燃料管路における前記未加熱
燃料の流量を調整するための温度制御手段とを備える上
記（ｇ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｉ） 前記燃料管路の前記一部分が、前記排気筒のバ
イパス通路内に配置されている上記（ｈ）項に記載の燃
焼ガスタービン装置。 （ｊ） 前記バイパス通路が、該バイパス通路を流れる
前記燃焼ガスの流量を制御するために該バイパス通路内
に配置されたダンパを備える上記（ｉ）項に記載の燃焼
ガスタービン装置。 （ｋ） 前記制御弁手段が玉型弁を含む上記（ｊ）項に
記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｌ） 前記温度制御手段がディジタル位置決め装置を
含む上記（ｋ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｍ） 未加熱燃料を前記燃焼器に導くためのバイパス
燃料系を更に備える上記（ｂ）項に記載の燃焼ガスター
ビン装置。 （ｎ） 前記バイパス燃料系が、燃料の供給源及び前記
燃焼器に接続されて該燃焼器に未加熱燃料を送給するバ
イパス燃料管路を備えている上記（ｍ）項に燃焼ガスタ
ービン装置。 （ｏ） 前記バイパス燃料系が、更に、前記燃料管路に
接続されて前記燃焼器に供給される前記加熱燃料の量及
び前記未加熱燃料の量を制御するための制御手段を備え
る上記（ｎ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｐ） 前記制御手段が、前記バイパス燃料管路に配設
されて該バイパス燃料管路を流れる燃料の量を変える制
御弁手段と、前記バイパス燃料管路の下流側で前記燃料
管路に電気的に接続されると共に、前記制御弁手段に電
気的に接続されて、前記燃焼器に流入する前記燃料の温
度を検知し、前記バイパス燃料管路における前記未加熱
燃料の流量を調整するための温度制御手段と、を備える
上記（ｏ）項に記載の燃焼ガスタービン装置。 （ｑ） 前記タービンの下流側に配設されて前記燃焼ガ
スが通流する熱回収蒸気発生器を更に含み、前記燃料管
路の前記一部分が前記燃焼ガスと熱伝達関係で前記熱回
収蒸気発生器内に配設される上記（ｐ）項に記載の燃焼
ガスタービン装置。 （ｒ） 前記熱回収蒸気発生器が、バイパス通路を含
み、前記燃料管路の前記一部分が、前記燃焼ガスの通路
内に配設されている上記（ｑ）項に記載の燃焼ガスター
ビン装置。 （ｓ） 前記熱回収蒸気発生器が更に、前記バイパス通
路内に配設されて該通路を流れる燃焼ガスの流量を制御
するための弁を備えている上記（ｒ）項に記載の燃焼ガ
スタービン装置。 （ｔ） 前記加熱燃料を前記燃焼器に導入する前に該加
熱燃料を加熱されていない未加熱燃料と混合するステッ
プを含む更に請求項２に記載の燃焼ガスタービン装置の
運転方法。 （ｕ） 前記タービンの下流側に配設されて前記燃焼ガ
スが流れる熱回収蒸気発生器を含み、前記燃料管路の前
記一部分が、前記燃焼ガスと熱伝達関係で前記熱回収蒸
気発生器内に配設される上記（ｂ）項に記載の燃焼ガス
タービン装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料管路の一部分が排気筒内に配設されてい
る本発明の一実施形態による燃焼ガスタービン装置の簡
略図である。
【図２】 燃料管路の一部分が排気筒の別の箇所に配設
されている本発明の別の実施形態による燃焼ガスタービ
ン装置の簡略図である。
【図３】 燃料管路の一部分が熱回収蒸気発生器内に配
設されている本発明の更に他の実施形態による燃焼ガス
タービン装置の簡略図である。
【図４】 燃料管路の一部分が熱回収蒸気発生器の別の
箇所に配設されている本発明の更に他の実施形態による
燃焼ガスタービン装置の簡略図である。
【符号の説明】
２０…燃焼ガスタービン装置、２６…圧縮機、２８…燃
焼ガスタービン、３０…燃焼器、３２…吸気管路、３４
…第１の配管、３６…第２の配管、３８…第３の配管、
４０…排気筒、５０…燃料管路、５２…熱交換器、６０
…バイパス燃料制御系、６２…バイパス燃料管路、６４
…バイパス流量制御弁（制御弁手段）、６６…温度コン
トローラ（温度制御手段）、６８…直接燃料管路、７０
…バイパス通路、７２…ダンパ、８０…熱回収蒸気発生
器、８２…バイパス通路、８４…弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョージ・ジェイ・アルバ アメリカ合衆国、フロリダ州、ウィンタ ー・スプリングス、ケイウガ・ドライブ 655

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼ガスタービン装置において、 燃焼用空気を圧縮するための圧縮機と、 該圧縮機に接続されて該圧縮機から圧縮空気を受け且つ
    該圧縮空気と共に燃料を受けて、該燃料を燃焼し、燃焼
    ガスを発生する燃焼器と、 該燃焼器に接続されて前記燃焼ガスを受け、該燃焼ガス
    で駆動されると共に、該燃焼ガスを排出するタービン
    と、 前記燃料の供給源及び前記燃焼器に接続された燃料管路
    とを含み、 該燃料管路の一部分を前記燃焼ガスと熱伝達関係で配設
    することにより、前記燃料が前記燃焼器に導入される前
    に前記燃料を加熱する燃焼ガスタービン装置。
  2. 【請求項２】 燃焼ガスタービン装置の運転方法におい
    て、 空気及び燃料を燃焼して燃焼ガスを発生し、 前記燃焼ガスをタービンに送って、該タービンを駆動
    し、 前記タービンから前記燃焼ガスを排出し、該燃焼ガスを
    燃料管路の一部分と熱伝達関係となるように導いて、前
    記燃料管路内を流れる燃料を加熱し、 前記加熱された燃料を前記燃焼器内に導入する、諸ステ
    ップを含む燃焼ガスタービン装置の運転方法。
JP10011368A 1997-01-24 1998-01-23 燃焼ガスタービン装置及びその運転方法 Pending JPH10205355A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/787718 1997-01-24
US08/787,718 US5845481A (en) 1997-01-24 1997-01-24 Combustion turbine with fuel heating system

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Publication Number Publication Date
JPH10205355A true JPH10205355A (ja) 1998-08-04

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ID=25142348

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JP10011368A Pending JPH10205355A (ja) 1997-01-24 1998-01-23 燃焼ガスタービン装置及びその運転方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5845481A (ja)
EP (1) EP0954687A1 (ja)
JP (1) JPH10205355A (ja)
KR (1) KR20000070195A (ja)
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