JPWO2013058209A1

JPWO2013058209A1 - 希薄燃料吸入ガスタービン

Info

Publication number: JPWO2013058209A1
Application number: JP2013539632A
Authority: JP
Inventors: 聡黒坂; 眞市梶田; 義弘山崎; 康司堂浦
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: AU2012327118B2; US20140250892A1; WO2013058209A1; JP5723455B2; AU2012327118A1; CN103857891A; RU2014119193A; CN103857891B

Abstract

燃料濃度変動時においても圧縮機内の爆発および触媒燃焼器の失火を回避して安定的に運転することが可能な希薄燃料吸入ガスタービンを提供する。２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合した可燃濃度限界以下の混合ガスを作動ガス（Ｇ１）とする希薄燃料吸入ガスタービン（ＧＴ）において、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスのうちの燃料濃度の低い第１燃料ガスに燃料濃度の高い第２燃料ガスを混合して第１次混合ガスを生成する第１混合器（２１）と、前記第１次混合ガスにさら前記第２燃料ガスを混合して前記作動ガスである第２次混合ガスを生成する第２混合器（２３）とを設ける。

Description

関連出願

本出願は、２０１１年１０月１７日出願の特願２０１１−２２７６４２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)などの低カロリーガスを空気と混合するなどして、圧縮機での圧縮によって着火しないように可燃限界濃度以下の混合気として、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンに関する。

従来の希薄燃料吸入ガスタービンでは、燃料濃度の異なるＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）とＣＭＭとを、１つの混合器によって均一な燃料濃度に混合し、混合した燃料を圧縮機の吸気入口に投入している。さらに、混合器は、始動時および負荷変動時の応答性確保のため、吸気入口の近傍に配置されている。このため、ＣＭＭ燃料濃度計の計測遅れおよびＣＭＭ燃料制御弁の動作遅れにより、制御動作がＣＭＭ燃料濃度の変動に追随できず、燃料濃度が過度に高くなった場合は圧縮機内で爆発が発生し、低くなった場合は触媒燃焼器が失火する可能性がある。

特開２０１０−０１９２４７号公報

その対策として、従来は、ＣＭＭ燃料濃度が所定の値を超えた場合に燃料供給を停止してガスタービンの運転を停止していた。また、ＣＭＭ燃料濃度が所定の値を下回った場合には、触媒の温度測定値から触媒燃焼状態を判定し、失火と判断されれば燃料供給を停止してガスタービンの運転を停止していた。したがって、ＣＭＭ燃料濃度が頻繁に変動する場合、ガスタービンの停止が頻発して安定的な操業が困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、混合される燃料ガスの燃料濃度が変動した場合においても、ガスタービンの運転を停止することなく圧縮機内の爆発および触媒燃焼器の失火を回避して、安定的に運転することが可能な希薄燃料吸入ガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る希薄燃料吸入ガスタービンは、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合した可燃濃度限界以下の混合ガスを作動ガスとする希薄燃料吸入ガスタービンであって、前記作動ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧縮機と、前記圧縮ガスを触媒反応によって燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスのうちの燃料濃度の低い第１燃料ガスに燃料濃度の高い第２燃料ガスを混合して第１次混合ガスを生成する第１混合器と、前記第１次混合ガスにさらに前記第２燃料ガスを混合して前記作動ガスである第２次混合ガスを生成する第２混合器とを備えている。

この構成によれば、燃料濃度の高い第２燃料ガスを、２つの混合器によって２段階に分けて混合することができるので、第２燃料ガスの燃料濃度の変動に対して、作動ガス全体の濃度調整を行うことが容易となる。したがって、第２燃料ガス（例えばＣＭＭ）の燃料濃度が変動した場合にも、圧縮機内の爆発および触媒燃焼器の失火を回避して安定的に運転することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記第１混合器が生成する第１次混合ガスの燃料濃度を、当該ガスタービンが負荷を駆動するために必要な最低限の濃度に調整し、前記第２混合器が生成する第２次混合ガスの燃料濃度を、当該ガスタービンの定格出力を得るために必要な濃度に調整する制御装置を備えることが好ましい。この構成によれば、第１混合器において負荷駆動のための最低限必要な燃料濃度が確保されるので、第２燃料ガスの燃料濃度が高くなった場合に第２混合器に流入する第２燃料ガスの流量を減らしても、確実に触媒燃焼器の失火を回避できる。したがって、第２燃料ガスの燃料濃度の変動に対して一層安定的に運転することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記第１混合器から前記第２混合器までの燃料流路の距離が、前記制御装置による濃度調整の遅延時間の間に前記第１次混合ガスが前記燃料流路を移動する距離よりも大きく設定されていることが好ましい。この構成によれば、第２燃料ガスの燃料濃度変動が生じた場合に、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの第１次混合ガスが最終的な作動ガスを生成する第２混合器に達する前に濃度調整制御を行うことができるので、圧縮機内爆発および触媒燃焼器の失火をより確実に回避することができる。

本発明の一実施形態において、前記制御装置が、前記第１燃料ガスに混合される前記第２燃料ガスの総流量の上限値を規制する手段を有することが好ましい。この構成によれば、第２燃料ガスの燃料濃度が急激に上昇した場合でも、確実に圧縮機内爆発を回避することができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る希薄燃料吸入ガスタービンの概略構成を示すブロック図である。図１のガスタービンの制御装置の概略構成を示すブロック図である。図１の実施形態の変形例に係る希薄燃料吸入ガスタービンの概略構成を示すブロック図である。図１の実施形態の他の変形例に係る希薄燃料吸入ガスタービンの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる希薄燃料吸入ガスタービンＧＴを示す概略構成図である。このガスタービンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンＧＴの出力により、発電機４のような負荷Ｌが駆動される。

このガスタービンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭと、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭのような、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合して得られた作動ガスＧ１が、圧縮機１の吸気入口を介してガスタービンＧＴ内に導入される。燃料ガスの供給系統については後に詳述する。作動ガスＧ１は、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１および発電機４に回転軸５を介して連結されており、このタービン３により圧縮機１および発電機４が駆動される。

ガスタービンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する熱交換器６を備えている。熱交換器６から流出した排ガスＧ５は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。

ガスタービンＧＴへの燃料供給系統の構成について詳述する。燃料供給系統は、より希薄なメタン濃度（通常０．５％程度）を有する第１燃料ガス（この例ではＶＡＭ）に、これよりもメタン濃度の高い（通常２０〜３０％）第２燃料ガス（この例ではＣＭＭ）を適量混合して圧縮機１に供給する。具体的には、燃料供給系統は、ＶＡＭ供給源１１から圧縮機１に接続する燃料主供給路１３と、ＣＭＭ供給源１５から後述する各種の弁を介して主供給路１１に連通する燃料副供給路１７を有している。燃料副供給路１７から燃料主供給路１３へのＣＭＭの混合は、２つの混合器、すなわち燃料主供給路１３における上流側に設けられた第１混合器２１と、燃料主供給路１３における第１混合器２１の下流側であって圧縮機１の吸気入口の近傍に設けられた第２混合器２３とによって行われる。換言すれば、第１混合器２１が、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスのうちの燃料濃度の低いＶＡＭに燃料濃度の高いＣＭＭを混合して第１次混合ガスＧ６を生成し、第２混合器２３が、第１次混合ガスにさらにＣＭＭを混合して、作動ガスＧ１である第２次混合ガスを生成する。

燃料副供給路１７を第１混合器２１に連通させる第１接続路２５の中途には、ＣＭＭ燃料の流量を調節する第１燃料制御弁２７が設けられており、燃料副供給路１７から第２混合器２３に連通させる第２接続路２９の中途には、同じくＣＭＭ燃料の流量を調節する第２燃料制御弁３１が設けられている。さらに、燃料副供給路１７における第１接続路２５への分岐点の上流側には、ＣＭＭ燃料の流通を遮断する燃料遮断弁３３が設けられている。また、ＣＭＭ供給源１５、第１混合器２１および第２混合器２３の各下流側には、メタン濃度を計測する第１〜第３のメタン濃度計３５，３７，３９がそれぞれ配設されている。

第１〜第３メタン濃度計３５，３７，３９で検出された各濃度値は、制御装置４１に送られる。また、発電機４の発電出力値も制御装置４１に送られる。制御装置４１は、これらの入力値に基づいて、燃料遮断弁３３、第１燃料制御弁２７および第２燃料制御弁３１を調整することにより、圧縮機１の吸気入口に供給する燃料の濃度を制御する。

次に、制御装置４１の具体的な制御ロジックを説明する。図２に示すように、第１混合器２１では、第２メタン濃度計３７が検出する燃料濃度値に基づいて第１燃料制御弁２７の開度を調整することにより、負荷Ｌを駆動するために（この例では発電状態を維持するために）必要な最低限の燃料濃度（例えば１％）に制御する。一方、第２混合器２３では、発電電力値および第３メタン濃度計３９が検出する燃料濃度値に基づいて第２燃料制御弁３１を調整することにより、定格出力を発電するのに必要な燃料濃度（例えば２％）に制御する。すなわち、第３メタン濃度計３９の検出燃料濃度値が、定格出力の発電を維持するのに必要な燃料濃度より十分低い場合には、発電電力値に基づいて第２燃料制御弁３１の開度を上げる方向に制御を行い、検出燃料濃度値が、定格出力を発電するのに必要な燃料濃度に近い所定の値に達した場合には、第３メタン濃度計３９の検出燃料濃度値に基づく濃度制御に切り替える。この制御間の切り替えは、切替スイッチ４３によって行う。

また、制御装置４１は、さらに、ＶＡＭに対して混合されるＣＭＭの総流量の上限値を規制する手段として、第１および第２の燃料制御弁２７，３１に対する開度指令の上限値を規制するリミッタ回路４５を備えている。リミッタ回路４５は、リミット演算回路４７においてＣＭＭ燃料濃度、ＶＡＭ燃料濃度、ガスタービン吸気流量の各計測値に基づいて算出された、圧縮機内爆発が起こらない最大の燃料量に従って、第１および第２の燃料制御弁２７，３１に対する開度指令を制御する。リミッタ回路４５を設けることにより、ＣＭＭ燃料濃度が急激に上昇した場合にもより確実に圧縮機爆発を回避することができる。

第１メタン濃度計３５によるＣＭＭ燃料濃度計測の遅延および第１燃料制御弁２７の動作の遅延によって、燃料濃度の制御が遅れてしまうことを回避するために、第１混合器２１と第２混合器２３とは、互いに所定の距離だけ離間して配置することが好ましい。例えば、第１混合器２１と第２混合器２３との間の流路距離（燃料主供給路１３に沿った距離）は、制御装置４１による濃度調整の遅延時間の間に第１次混合ガスＧ６が燃料流路を移動する距離、つまり燃料主供給路１３での流量および流路の断面積と燃料濃度制御の遅延時間から算出される流路長さより大きく設定する。第１混合器２１と第２混合器２３との間の流路距離は、具体的には、例えば、２〜１５ｍの範囲にあることが好ましく、３〜１０ｍの範囲にあることが好ましく、４〜７ｍの範囲にあることがさらに好ましい。

次に、図１の希薄燃料吸入ガスタービンＧＴの制御動作を説明する。ＣＭＭ供給源１５からの燃料濃度が高くなった場合には、制御装置４１が、第１混合器２１で発電状態を維持するのに必要な最低限の燃料濃度に維持しつつ、第２混合器２３の上流に位置する第２燃料制御弁３１の開度を絞る。逆にＣＭＭ供給源１５からの燃料濃度が低くなった場合、第１混合器２１で発電状態を維持するのに必要な最低限の燃料濃度に維持しつつ、第２混合器２３の上流に位置する第２燃料制御弁３１の開度を広げる。このとき、ＣＭＭ燃料濃度が急激に上昇しても、図２のリミッタ回路４３の作用により、ガスタービンＧＴに供給される燃料の濃度が所定値以上に上昇することはなく、圧縮機１内の爆発を確実に回避できる。

なお、本実施形態の変形例として、図３に示すように、燃料副供給路１７から第２混合器２３へのバイパス通路５１を設け、このバイパス通路５１の中途にバイパス燃料遮断弁５３を設けてもよい。バイパス燃料遮断弁５３の開閉動作は、第２燃料制御弁３１の開閉動作よりも速いので、急激なＣＭＭ燃料濃度の上昇が発生した場合に、一層効果的に圧縮機１内の爆発を回避することができる。

また、本実施形態の更なる変形例として、図１における第２燃料制御弁３１に代えて、図４に示すように、第２燃料遮断弁６１を設けても良い。第２燃料遮断弁６１の動作としては、第１燃料制御弁２７にて始動操作を実施完了した後に、開動作を行い、定格発電出力を得る。また、ＣＭＭ濃度が上昇した場合は第２燃料遮断弁６１の閉動作を行う。第２燃料遮断弁６１を設けることにより、図３のバイパス燃料遮断弁５３と同じように圧縮機１内の爆発防止を効果的に回避でき、しかも制御弁より簡便な制御回路にて実現できる。

以上のように、本実施形態に係る希薄燃料吸引ガスタービンＧＴによれば、ＣＭＭ燃料濃度が変動した場合にも、圧縮機１内の爆発および触媒燃焼器２の失火を回避して安定的に運転することが可能となる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１圧縮機
２触媒燃焼器
３タービン
４発電機
１１ＶＡＭ供給源
１５ＣＭＭ供給源
２１第１混合器
２３第２混合器
２７第１燃料制御弁
３１第２燃料制御弁
４１制御装置
ＧＴ希薄燃料吸入ガスタービン
Ｌ負荷

また、制御装置４１は、さらに、ＶＡＭに対して混合されるＣＭＭの総流量の上限値を規制する手段として、第１および第２の燃料制御弁２７，３１に対する開度指令の上限値を規制するリミッタ回路４５を備えている。リミッタ回路４５は、リミット演算回路４７においてＣＭＭ燃料濃度、ＶＡＭ燃料濃度、ガスタービン吸気流量の各計測値に基づいて算出された、圧縮機内爆発が起こらない最大の燃料量に従って、第１および第２の燃料制御弁２７，３１に対する開度指令を制御する。リミッタ回路４５を設けることにより、ＣＭＭ燃料濃度が急激に上昇した場合にもより確実に圧縮機内爆発を回避することができる。

次に、図１の希薄燃料吸入ガスタービンＧＴの制御動作を説明する。ＣＭＭ供給源１５からの燃料濃度が高くなった場合には、制御装置４１が、第１混合器２１で発電状態を維持するのに必要な最低限の燃料濃度に維持しつつ、第２混合器２３の上流に位置する第２燃料制御弁３１の開度を絞る。逆にＣＭＭ供給源１５からの燃料濃度が低くなった場合、第１混合器２１で発電状態を維持するのに必要な最低限の燃料濃度に維持しつつ、第２混合器２３の上流に位置する第２燃料制御弁３１の開度を広げる。このとき、ＣＭＭ燃料濃度が急激に上昇しても、図２のリミッタ回路４５の作用により、ガスタービンＧＴに供給される燃料の濃度が所定値以上に上昇することはなく、圧縮機１内の爆発を確実に回避できる。

また、本実施形態の更なる変形例として、図１における第２燃料制御弁３１に代えて、図４に示すように、第２燃料遮断弁６１を設けても良い。第２燃料遮断弁６１の動作としては、第１燃料制御弁２７にて始動操作を実施完了した後に、開動作を行い、定格発電出力を得る。また、ＣＭＭ濃度が上昇した場合は第２燃料遮断弁６１の閉動作を行う。第２燃料遮断弁６１を設けることにより、図３のバイパス燃料遮断弁５３と同じように圧縮機１内の爆発を効果的に回避でき、しかも制御弁より簡便な制御回路にて実現できる。

以上のように、本実施形態に係る希薄燃料吸入ガスタービンＧＴによれば、ＣＭＭ燃料濃度が変動した場合にも、圧縮機１内の爆発および触媒燃焼器２の失火を回避して安定的に運転することが可能となる。

Claims

２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合した可燃濃度限界以下の混合ガスを作動ガスとする希薄燃料吸入ガスタービンであって、
前記作動ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧縮機と、
前記圧縮ガスを触媒反応によって燃焼させる触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスのうちの燃料濃度の低い第１燃料ガスに燃料濃度の高い第２燃料ガスを混合して第１次混合ガスを生成する第１混合器と、
前記第１次混合ガスにさらに前記第２燃料ガスを混合して前記作動ガスである第２次混合ガスを生成する第２混合器と、
を備える希薄燃料吸入ガスタービン。
請求項１に記載の希薄燃料吸入ガスタービンにおいて、前記第１混合器が生成する第１次混合ガスの燃料濃度を、当該ガスタービンが負荷を駆動するために必要な最低限の濃度に調整し、前記第２混合器が生成する第２次混合ガスの燃料濃度を、当該ガスタービンの定格出力を得るために必要な濃度に調整する制御装置を備える希薄燃料吸入ガスタービン。
請求項２に記載の希薄燃料吸入ガスタービンにおいて、前記第１混合器から前記第２混合器までの燃料流路の距離が、前記制御装置による濃度調整の遅延時間の間に前記第１次混合ガスが前記燃料流路を移動する距離よりも大きく設定されている希薄燃料吸入ガスタービン。
請求項２に記載の希薄燃料吸入ガスタービンにおいて、前記制御装置が、前記第１燃料ガスに混合される前記第２燃料ガスの総流量の上限値を規制する手段を有する希薄燃料吸入ガスタービン。