JPH10220250A - ガスタービン発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】負荷の上昇時においても、燃焼器内の圧力が急
激に上昇する恐れがなく、かつガスタービン圧縮機がサ
ージングを発生する恐れのないガスタービン発電プラン
トを提供する。 【解決手段】ガスタービン本体１０２にて駆動され燃焼
用空気を圧縮する空気圧縮機１０１と、燃料ガスを圧縮
する燃料ガス圧縮機１１３とを備え、前記空気圧縮機の
空気とともに前記燃料ガス圧縮機にて高圧化された低カ
ロリーの燃料ガスを供給して低カロリー燃料ガスを燃焼
するようになしたガスタービン発電プラントにおいて、
前記燃料ガス圧縮機１１４を別置のガスタービン１１３
にて駆動するように形成するとともに、この別置ガスタ
ービン１１３の燃焼用空気として、前記ガスタービン本
体にて駆動される空気圧縮機１０１の吐出空気の一部を
用いるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン発電プ
ラントの改良に係わり、特に燃焼用空気を圧縮する空気
圧縮機と、燃料ガスを圧縮する燃料ガス圧縮機とを備
え、前記空気圧縮機の空気とともに前記燃料ガス圧縮機
にて高圧化された低カロリーの燃料ガスを供給して低カ
ロリー燃料ガスを燃焼するようにしたガスタービン発電
プラントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石炭は石油より埋蔵量が豊富で石油の代
替燃料として注目されており、そのため火力発電設備と
してのガスタービンの燃料に石炭ガス化炉発生ガスを使
用するプラントが近年注目されている。一方、製鉄所の
高炉やコークス炉で発生する副生ガスは熱風炉、加熱炉
等に配分されるが、融通性の高い電力への変換で活用さ
れる場合もある。しかし、この高炉やコークス炉で発生
する低カロリー燃料ガス（副生ガス、石炭ガス化ガスな
ど）は圧力が低いので、燃料として使用する場合には昇
圧する必要がある。

【０００３】このように高炉やコークス炉で発生する低
カロリー燃料ガスは圧力が低いため、ガスタービン用燃
料として使用する場合においても昇圧するようにしてい
る。図３は従来におけるこの種のガスタービンの一例を
示すもので、３０２がガスタービンで、３０１がこのガ
スタービンにより駆動される空気圧縮機である。

【０００４】このガスタービンには、さらにガスタービ
ン負荷（例えば発電機）３０４および低カロリー燃料ガ
ス圧縮機（燃料ガス圧縮機）３０３が結合されている。
３０６は低カロリー燃料ガスの供給ラインで、低カロリ
ー燃料ガスは圧縮機３０３で昇圧され、ガスタービン燃
焼器３０５へ供給される。３０７は昇圧後の低カロリー
燃料ガスラインで、３０８はこの低カロリー燃料ガスの
流量制御弁である。

【０００５】３０９は、この低カロリー燃料ガスのバッ
クアップ燃料である液体燃料（通常軽油）ラインで、主
にガスタービン起動時や停止時あるいは低カロリー燃料
ガス供給系統に障害が生じたときに使用される。３１０
は軽油の流量制御弁であり、３１１はガスタービン圧縮
機入口空気ラインを示している。３１２はガスタービン
排気である。

【０００６】図４も同様に従来のガスタービンの例を示
し、この場合には、ガスタービン４０２の負荷側に減速
機４２０を設け、この減速機を介して負荷４０４と低カ
ロリーガス圧縮機４０３を並列に接続された例である。
すなわち、燃料ガス圧縮機４０３が減速駆動されるよう
に形成されている。

【０００７】このように、従来における燃料ガス圧縮機
はガスタービン本体により直接駆動されるように形成さ
れているのが普通であった。なお、この種ガスタービン
発電プラントに関連するものとしては、例えば特開昭４
８−８８３０４号公報が挙げられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いるガスタービン発電プラント，すなわち低カロリー燃
料ガスをガスタービン軸に接続された燃料ガス圧縮機で
圧縮し、ガスタービン燃焼器へ供給する構成のプラント
であると、ガスタービン空気圧縮機の吐出空気圧、出
力、燃料消費量のマッチングが適切に処理できず、すな
わち低カロリーガス燃焼のガスタービンは通常燃料ガス
タービンより多量の燃料を投入するため、ガスタービン
全負荷では圧縮機吐出圧が非常に高くなるため、供給さ
れる低カロリー燃料ガスの圧力幅が大きく要求され、か
つ負荷が上昇するにつれて燃焼器内の圧力が急激に上昇
する恐れもある。すなわち低負荷時においては、ガスタ
ービン圧縮機吐出空気圧は比較的低いので、低圧の低カ
ロリー燃料ガスをガスタービン燃焼器へ流入させても問
題ないし、また多量の低カロリー燃料ガスを供給して
も、それほど吐出空気圧は上昇しないが、負荷が上昇す
るにつれ、ガスタービン初段静翼入口温度が上昇するた
め圧力が上昇し、さらに燃料消費量も増加するため、燃
焼器内圧力が急激に上昇し、またガスタービン圧縮機が
サージング状態に至る恐れがある。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、負荷の上昇時においても、燃焼器
内の圧力が急激に上昇する恐れがなく、かつガスタービ
ン圧縮機がサージングを発生する恐れもないこの種のガ
スタービン発電プラントを提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ガス
タービン本体にて駆動され燃焼用空気を圧縮する空気圧
縮機と、燃料ガスを圧縮する燃料ガス圧縮機とを備え、
前記空気圧縮機の空気とともに前記燃料ガス圧縮機にて
高圧化された低カロリーの燃料ガスを供給して低カロリ
ー燃料ガスを燃焼するようになしたガスタービン発電プ
ラントにおいて、前記燃料ガス圧縮機を別置のガスター
ビンにて駆動するように形成するとともに、この別置ガ
スタービンの燃焼用空気として、前記ガスタービン本体
にて駆動される空気圧縮機の吐出空気の一部を用いるよ
うにし所期の目的を達成するようにしたものである。

【００１１】またこの場合、前記燃料ガス圧縮機を駆動
している別置ガスタービンに、電動機兼発電機を接続
し、別置ガスタービンの動力と燃料ガス圧縮機の負荷と
の間に差が生じた場合、前記電動機兼発電機を電動機ま
たは発電機として使用するようにしたものである。

【００１２】すなわちこのように形成されたガスタービ
ン発電プラントであると、燃料ガスを圧縮する燃料ガス
圧縮機を、空気圧縮機の吐出空気の一部を燃焼用空気と
して作動する別置のガスタービンにより駆動するように
したので、すなわち燃料ガス圧縮機が本体ガスタービン
とは別のガスタービンによって駆動されるので、本体ガ
スタービンと運転を共にすることはなく、このガスター
ビンの運転自由度は本体ガスタービンの運転条件にあま
り影響されず、大きくとれ、高い熱効率での運転範囲を
広くすることができ、またガスタービン空気圧縮機の吐
出空気の一部が別置のガスタービンの燃焼空気として抽
出されるので、この吐出空気の抽気によって吐出圧は抑
さえられ、すなわち高負荷時においても空気圧縮機のサ
ージングは防止されるのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその一実施例として、
ガスタービン圧縮機吐出空気の一部を抽気し、その空気
を別置のガスタービン燃焼器へ供給し、そのガスタービ
ンによりガス圧縮機を駆動し、このガス圧縮機により低
カロリー燃料ガスを圧縮してガスタービン本体へ供給す
る場合の例が示されている。

【００１４】また図２には、図１の燃料ガス圧縮機に発
電機兼電動機を設置して、ガスタービンへの抽気量や低
カロリー燃料ガス圧力の関係から、ガスタービンの動力
で不足する場合には電動機とし、余る場合には発電機と
して使用する場合の例が示されている。

【００１５】図１において、１０２が本体ガスタービン
であり１０１が圧縮機、１０４が負荷（発電機）であ
る。この場合、本体ガスタービン１０２に対してもう一
つのガスタービン，すなわち別置のガスタービン１１３
が設けられており、この別置のガスタービンには、燃料
ガス圧縮機（燃料ガス圧縮機）１１４が結合されてい
る。なお、１１５が別置のガスタービン１１３の燃焼器
である。

【００１６】燃料ガス圧縮機１１４は別置のガスタービ
ン１１３により駆動されるわけであるが、この別置のガ
スタービン１１３への作動流体は、ガスタービン本体の
圧縮機１０１の吐出空気の抽気１１６が制御弁１１７を
介して燃焼器１１５へ供給され、高温ガスとなってこの
別置のガスタービン１１３へ供給される。１１８は仕事
を終えた作動流体の排出を示す。

【００１７】前述もしたように従来の燃料ガス圧縮機
は、本体ガスタービンによって駆動され、そしてこの燃
料ガス圧縮機は、本体ガスタービンに直結しているた
め、本体ガスタービンと運転を共にし、たとえクラッチ
またはトルクコンバータを介して駆動するようにし、燃
料ガス圧縮機駆動を本体ガスタービンと一時的に切り離
せるようにしたとしても、その運転依存性は変わらない
が、本発明プラントの燃料ガス圧縮機１１４は本体ガス
タービン１０２とは別のガスタービン１１３によって駆
動されるので、本体ガスタービンと運転を共にすること
はない。

【００１８】ここで、図１の運転方式を説明する。起動
時の燃料は通常軽油等の液体燃料とし、大気１１１を吸
入して圧縮空気とした後、燃焼器１０５にてこの液体燃
料を燃焼して高温高圧ガスとし、ガスタービン１０２を
回転させ、発電機のような負荷１０４を駆動する。

【００１９】通常この種の低カロリー燃料ガスは着火性
能が通常の燃料より低いので、ガスタービン起動から安
定運転までは液体燃料を使用する。液体燃料から低カロ
リー燃料への切り替えが可能な状態になったときに、燃
料切り替え操作を実施する。切り替え後は、自由に負荷
を変えて運転する。

【００２０】図１では、本体ガスタービン圧縮機の吐出
空気の一部を抽気して、別置のガスタービン燃焼器１１
５へ供給し、高温高圧ガスとしてガスタービン１１３へ
供給し、負荷１１４を駆動する。この場合、負荷１１４
は低カロリーガス圧縮機である。この別置ガスタービン
燃焼器１１５への燃料は、本体ガスタービン用と同じ燃
料を使用することができる。

【００２１】図２は、前記の図１の別置ガスタービン２
１３に発電機兼電動機２１９が加わったものである。図
２において、２１４は図１と同様低カロリーガス圧縮機
であるが、ガスタービン２１３の動力と圧縮機２１４の
負荷との間に差が生じた場合、つまりガスタービン２１
３の動力が不足の場合には、２１９を電動機として使用
し、逆にガスタービン動力が超過する場合には、２１９
を発電機として使用する。その他は図１と同じである。

【００２２】図５および図６は、本発明の運転時の本体
ガスタービン圧縮機吐出圧の変化を比較したものであ
る。両図とも、低カロリー燃料ガスタービンおよび通常
燃料ガスタービンの圧縮機吐出空気圧のガスタービン負
荷に対する変化の例を示し、それぞれガスタービン負荷
０％のときの圧力を（５３１）、（６３１）で、ガスタ
ービン負荷１００％のときの圧力を（５３２）、（６３
２）および（５３３）、（６３３）で示す。実際の変化
は単純ではないが、図は変化を直線で示した。

【００２３】この図で低カロリ燃料ガスタービンの圧力
が通常燃料ガスタービンより高いのは、燃料の発熱量が
低いため、高温高圧ガスを発生させるためには、通常燃
料よりも多量の燃料を燃焼器へ投入するためである。こ
の圧縮機吐出圧力は、圧縮機ケーシングやタービンケー
シングの設計圧力に拘り、また、圧縮機のサージング限
界圧力の問題もあるので、通常燃料ガスタービンと同じ
ケーシングであれば、通常燃料ガスタービンの最高圧力
より高くなってはならない。

【００２４】図５で、ガスタービン負荷（５３５）以上
では圧縮機吐出空気の抽気を行って、吐出圧を（５３
６）から（５３３）まで一定とし、通常燃料ガスタービ
ンの最高圧力（５３３）以下に抑さえることができる。
この圧力変化の部分を図で斜線（５３８）、（５３９）
で示す。但し、（５３７）から（５３４）までの変化は
仮のものである。

【００２５】低カロリ燃料ガスタービンの抽気開始点を
早めたものを図６に示す。この図で（６３６）が抽気開
始点で、そのときの負荷は（６３５）である。この（６
３６）はさらに早めて無負荷の（６３１）としてもよ
い。運転パターンは、無負荷（６３１）から負荷上昇に
伴い圧力上昇して（６３６）のとき、抽気を開始し、圧
力一定で（６４１）からは通常燃料ガスタービンの吐出
圧に合わせてもよく、または、抽気量を選択して、（６
３６）、（６４１）、（６３３）の変化線とは異なった
圧力になる運転もできる。吐出圧を（６３３）以下に保
持すれば、強度の問題もサージングの問題も発生しな
い。

【００２６】以上説明してきたようにこのように形成さ
れたガスタービン発電プラントであると、燃料ガスを圧
縮する燃料ガス圧縮機を、前記空気圧縮機の吐出空気の
一部を燃焼用空気として作動する別置のガスタービンに
より駆動するようにしたので、（１）従来の低カロリー
ガス燃焼のガスタービンは通常燃料ガスタービンより多
量の燃料を投入するため、ガスタービン全負荷では圧縮
機吐出圧が非常に高くなるため、あまり燃焼温度を高く
することはできなかったが、前記抽気により圧縮機吐出
圧を低く押さえることができ、燃焼温度を高くすること
ができ、かつ圧縮機のサージングを抑制することができ
る。また、抽気する場合の抽気は、それ自体有効に活用
される。（２）ガスタービン圧縮機吐出空気の抽気によ
って、吐出圧を抑さえられるから、運転自由度を大きく
とれる。（３）抽気を別置のガスタービン用空気源とし
て利用でき、このガスタービンの運転自由度は本体ガス
タービンの運転条件にあまり影響されず、大きくとれ高
い熱効率での運転範囲が大きい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、負荷の上昇時においても、燃焼器内の圧力が急激に
上昇する恐れがなく、かつガスタービン圧縮機がサージ
ングを発生する恐れもないこの種のガスタービン発電プ
ラントを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン発電プラントの一実施例
を示す系統図である。

【図２】本発明のガスタービン発電プラントの他の実施
例を示す系統図である。

【図３】従来のガスタービン発電プラントの例を示す系
統図である。

【図４】従来のガスタービン発電プラントの例を示す系
統図である。

【図５】本発明のガスタービン発電プラントを運転した
一例で、部分負荷時から全負荷時まで抽気するときの低
カロリ燃料ガスタービンの圧縮機吐出圧と通常燃料ガス
タービン圧縮機吐出圧のガスタービン負荷に対する変化
を示す特性図である。

【図６】本発明のガスタービン発電プラントを運転した
一例で、部分負荷時、特に、無負荷時から全負荷時まで
抽気するときの低カロリ燃料ガスタービンの圧縮機吐出
圧と通常燃料ガスタービン圧縮機吐出圧のガスタービン
負荷に対する変化を示す特性図である。

【符号の説明】

１０１…空気圧縮機、１０２…本体ガスタービン、１０
４…本体負荷（例えば発電機）、１０５…燃焼器、１０
６…圧縮機入口低カロリーガス、１０７，１０７ａ…低
カロリーガス圧縮機吐出ガス、１０８，１０８ａ…低カ
ロリーガス流量制御弁、１０９，１０９ａ…液体燃料供
給管、１１０，１１０ａ…液体燃料流量制御弁、１１１
…大気、１１２…排気、１１３…別置ガスタービン、１
１４…低カロリーガス圧縮機、１１５…別置ガスタービ
ン用燃焼器、１１６…本体ガスタービン圧縮機吐出空気
抽気、１１７…抽気流量制御弁、１１８…別置ガスター
ビン排気、２０１…空気圧縮機、２０２…本体ガスター
ビン、２０４…本体負荷（例えば発電機）、２０５…燃
焼器、２０６…圧縮機入口低カロリーガス、２０７，２
０７ａ…低カロリーガス圧縮機吐出ガス、２０８，２０
８ａ…低カロリーガス流量制御弁、２０９，２０９ａ…
液体燃料供給管、２１０，２１０ａ…液体燃料流量制御
弁、２１１…大気、２１２…排気、２１３…別置ガスタ
ービン、２１４…低カロリーガス圧縮機、２１５…別置
ガスタービン用燃焼器、２１６…本体ガスタービン圧縮
機吐出空気抽気、２１７…抽気流量制御弁、２１８…別
置ガスタービン排気、２１９…発電機兼電動機、３０１
…空気圧縮機、３０２…本体ガスタービン、３０３…低
カロリーガス圧縮機、３０４…本体負荷（例えば発電
機）、３０５…燃焼器、３０６…圧縮機入口低カロリー
ガス、３０７…低カロリーガス圧縮機吐出ガス、３０８
…低カロリーガス流量制御弁、３０９…液体燃料供給
管、３１０…液体燃料流量制御弁、３１１…大気、３１
２…排気、４０１…空気圧縮機、４０２…本体ガスター
ビン、４０３…低カロリーガス圧縮機、４０４…本体負
荷（例えば発電機）、４０５…燃焼器、４０６…圧縮機
入口低カロリーガス、４０７…低カロリーガス圧縮機吐
出ガス、４０８…低カロリーガス流量制御弁、４０９…
液体燃料供給管、４１０…液体燃料流量制御弁、４１１
…大気、４１２…排気、４２０…減速機。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン本体にて駆動され燃焼用空
   気を圧縮する空気圧縮機と、燃料ガスを圧縮する燃料ガ
   ス圧縮機とを備え、前記空気圧縮機の空気とともに前記
   燃料ガス圧縮機にて高圧化された低カロリーの燃料ガス
   を供給して低カロリー燃料ガスを燃焼するようになした
   ガスタービン発電プラントにおいて、前記燃料ガス圧縮
   機を別置のガスタービンにて駆動するように形成すると
   ともに、この別置ガスタービンの燃焼用空気として、前
   記ガスタービン本体にて駆動される空気圧縮機の吐出空
   気の一部を用いるようにしたことを特徴とするガスター
   ビン発電プラント。
2. 【請求項２】 前記燃料ガス圧縮機を駆動している別置
   のガスタービンに、電動機兼発電機を接続するととも
   に、前記電動機兼発電機を、別置ガスタービンの動力と
   燃料ガス圧縮機の負荷との間に差が生じた場合に、電動
   機または発電機として使用するようにした請求項１記載
   のガスタービン発電プラント。