JPWO2013094381A1 - 希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの運転方法およびガスタービン発電装置 - Google Patents
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Abstract
燃料流量制御による回転数制御が困難な希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの回転数を制御することにより、安定的に希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを運転する方法を提供する。低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用して発電機を駆動する希薄燃料吸入ガスタービンエンジン（ＧＴ）を運転する方法において、外部の電力系統（１９）と前記発電機（１１）の間に電力変換装置（１７）を介在させ、この電力変換装置（１７）によって前記発電機（１１）の回転数を制御することにより、当該ガスタービンエンジン（ＧＴ）の回転数を制御する。
Description
本出願は、２０１１年１２月２２日出願の特願２０１１−２８０９４９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)、ＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）などの低カロリーガスを燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの回転数を制御する方法に関する。
炭鉱で発生するＣＭＭをＶＡＭまたは空気と混合するなどして、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を触媒燃焼器で燃焼させる、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような触媒燃焼器を利用するガスタービンエンジンでは、燃焼器が失火を起こさずに安定的に運転を継続するために、燃焼器の入口温度を反応温度以上に保つ必要がある。エンジンの回転数が高すぎると、燃焼器に流入するガスの流量が増大して燃焼器の入口温度を維持できなくなるため、エンジンの回転数を制御することが重要である。しかし、希薄燃料を用いるガスタービンでは、燃料濃度が不安定で、燃料流量による回転数制御が困難なため、別の手段によって回転数を制御する必要がある。
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料流量制御による回転数制御が困難な希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの回転数を制御することにより、安定的に希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを運転する方法と、この方法を用いるガスタービン発電装置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エンジンの運転方法は、低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用して発電機を駆動する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを運転する方法であって、外部の電力系統と前記発電機との間に電力変換装置を介在させ、この電力変換装置によって前記発電機の回転数を制御することにより、前記ガスタービンエンジンの回転数を制御する。
この構成によれば、不安定な希薄燃料の燃料濃度や外部の電力系統の周波数の影響を受けずにガスタービンエンジンの回転数を制御することができる。これにより、燃焼器温度を適切な値に維持して、希薄燃料ガスタービンエンジンを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係る運転方法において、前記ガスタービンエンジンに、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する主燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器と、当該ガスタービンエンジンの起動時から前記主燃焼器が所定の温度に達するまで前記熱交換器を暖機する補助燃焼器とを設け、前記燃焼器の温度が所定の値に達するまでの暖機運転状態において、前記ガスタービンエンジンの回転数を定格回転数よりも低い暖機運転時回転数に制御することを含むことが好ましい。この構成によれば、この構成によれば、暖機運転用にスタータモータのような駆動装置を追加することなく、簡単な構成でエンジンの回転数を制御し、燃焼器の温度を維持することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る運転方法において、前記燃焼器の温度が前記所定の値に達した後に、前記補助燃焼器の運転を停止し、前記ガスタービンエンジンの回転数を上昇させて定常運転状態に移行させ、この定常運転状態において、前記発電機の回転数を制御することにより前記主燃焼器の入口温度を所定の作動温度に維持することが好ましい。この構成によれば、定常運転時においても、外部電力系統の周波数の制約を受けることなく、主燃焼器の温度を維持することを優先した回転数制御が可能となる。
請求項１から３のいずれか一項に記載の運転方法において、ガスタービンエンジンの定常運転終了後に、ガスタービンエンジンを所定の値より低い回転数で回転させるターニング運転をおこなうことが好ましい。この構成によれば、ターニング運転用にモータを追加することなく、簡単な構成でエンジンの回転数を制御して、運転終了後の回転軸のベンディングを防止することができる。
本発明に係るガスタービン発電装置は、低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用するガスタービンエンジンと、前記希薄燃料吸入ガスタービンエンジンに回転軸を介して連結されて、該エンジンに駆動される発電機と、前記発電機と外部の電力系統との間に介在する電力変換装置と、前記電力変換装置を介して前記発電機の回転数を制御することにより、当該ガスタービンエンジンの回転数を制御する回転数制御回路とを備える。この発電装置によれば、不安定な希薄燃料の燃料濃度や外部の電力系統の周波数の影響を受けずにガスタービンエンジンの回転数を制御することができる。これにより、燃焼器温度を適切な値に維持して、希薄燃料ガスタービンエンジンを安定的に運転することが可能となる。
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ガスタービン発電装置の概略構成を示すブロック図である。
図１の発電装置の動作原理を示す模式図である。
図１の発電装置におけるガスタービンエンジンの回転数制御の例を示すグラフである。
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係る運転方法の運転対象となるガスタービンエンジンＧＴを示す概略構成図である。このガスタービンエンジンＧＴは、主要な構成要素として、圧縮機１、主燃焼器３、タービン５および熱交換器７を備えている。ガスタービンエンジンＧＴと、このガスタービンエンジンＧＴの出力により駆動される発電機１１によって、ガスタービン発電装置（以下「発電装置」と呼ぶ。）Ｓが構成されている。
本実施形態におけるガスタービンエンジンＧＴ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、空気や炭鉱から排出されるＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）と混合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エンジンとして構成されており、主燃焼器３は、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器として構成されている。
このガスタービンエンジンＧＴで用いる低カロリーガスとして、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の吸気入口からガスタービンエンジンＧＴ内に導入される。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、主燃焼器３に送られる。圧縮ガスＧ２は主燃焼器３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５に供給されて、タービン５を駆動する。主燃焼器３の入口には、温度センサ１３が設けられている。
タービン５は圧縮機１および発電機１１に回転軸１５を介して連結されており、タービン５により圧縮機１および発電機１１が駆動される。発電機１１として誘導発電機を使用している。この発電機１１は、発電装置Ｓを構成する電力変換装置１７を介して外部の電力系統１９に接続されている。この電力変換装置１７は、直流電力と交流電力とを相互に変換する回路を内蔵し、発電機１１と電力系統１９との間で双方向への電力供給を行う。
熱交換器７は、タービン５からのタービン排ガスＧ４によって圧縮機１から主燃焼器３に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する。圧縮機１からの圧縮ガスＧ２は、圧縮ガス通路２１を介して熱交換器７に送られ、ここで加熱された後に高温圧縮ガス通路２５を介して主燃焼器３に送られる。主燃焼器３およびタービン５を経たタービン排ガスＧ４は、タービン排ガス通路２９を通って熱交換器７に流入する。熱交換器７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。
また、ガスタービンエンジンＧＴは、主燃焼器３のほかに補助燃焼器３９を備えている。補助燃焼器３９は、ガスタービンエンジンＧＴの起動時から主燃焼器３が所定の作動温度、例えば４００℃に達するまで、熱交換器７に高温の燃焼ガスを供給して熱交換器７を暖機する。補助燃焼器３９には、専用の燃料供給路４１から燃料（本実施形態ではＣＭＭ）が供給されるとともに、圧縮ガス通路２１から分岐させて設けられた始動用抽気路４５から空気が供給される。
このような構成を有する発電装置Ｓには、ガスタービンエンジンＧＴに対して、電力変換装置１７によって発電機１１の回転数を制御することにより、エンジンの回転数制御を行う回転数制御回路５１が設けられている。この回転数制御回路５１は、ガスタービンエンジンＧＴ全体の制御を行うコントローラ５３に内蔵されている。
図２に、本実施形態における電力変換装置１７によるガスタービンエンジンＧＴの回転数制御の原理を模式的に示す。電力変換装置１７は、発電機１１側に接続されたインバータ５５と外部電力系統１９側に接続されたコンバータ５７とからなる。ガスタービンエンジンＧＴの起動時には、発電機１１が電力変換装置１７を介して外部電力系統１９から電力の供給を受けて電動機として機能し、ガスタービンエンジンＧＴの暖機運転がなされる。
暖機運転においては、回転数が上昇しすぎると、主燃焼器３に流入するガス流量が過剰となって主燃焼器３の温度が低下するので、所定の暖機運転回転数に維持する必要がある。したがって、暖機運転時には、電力変換装置１７を介して発電機１１の回転数を制御することにより、図３に示すように、ガスタービンエンジンＧＴの回転数が定格回転数よりも低い暖機運転時回転数Ｒｓ（この例では定格回転数の６５％）に維持されるように制御する。暖機運転の間、図１の補助燃焼器３９には燃料が供給され、熱交換器７に高温の燃焼ガスを供給して熱交換器７を暖機する。暖機運転は、主燃焼器７の温度が所定の値に達するまで継続される。
温度センサ１３で測定した主燃焼器７の入口温度が所定の作動温度、例えば４００℃に達した後、補助燃焼器３９の運転を停止し、ガスタービンエンジンＧＴは図３に示す定常運転に移行する。すなわち、ガスタービンエンジンＧＴから発電機１１に対して十分な出力が得られるようになり、発電機１１が発電状態となり、電力変換装置１７を介して外部電力系統１９に電力を供給する。この定常運転状態において、電力変換装置１７のインバータ５５を制御して、発電機１１の回転数を上昇させることにより、ガスタービンエンジンＧＴの回転数を上昇させる。
ガスタービンエンジンＧＴが定常運転に移行した後も、回転数によって主燃焼器３に供給される圧縮ガスＧ２の流量が変化することから、主燃焼器３の温度も変化するので、主燃焼器３の入口温度が所定の作動温度に維持されるように、回転数制御回路５１により、ガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御する。すなわち、ガスタービンエンジンＧＴの運転状態によっては、定格回転数よりも低い回転数で運転するように制御する。このように、回転数制御回路５１を用いて発電機１１の回転数を制御することによってガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御するので、外部電力系統１９の周波数の制約を受けることなく、主燃焼器３の温度を所定値に維持することを優先したガスタービンエンジンＧＴの回転数制御が可能となる。
また、ガスタービンエンジンＧＴの運転終了後には、回転軸１５のベンディング（曲げ変形）を除去するために、回転軸１５を極めて低い回転速度で長時間（例えば１０時間）回転させるターニングを行う必要があるが、本実施形態では、電力変換装置１７による回転数制御によって、ターニングを行うことができる。したがって、従来設けていたターニング用の小型モータを省略することができる。
このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴの回転数制御方法によれば、電力変換装置１７を利用して、外部の電力系統１９の周波数の制約を受けずにガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御することができるので、燃料流量の制御による回転数制御が困難な希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの主燃焼器３を必要な所定温度に維持することが可能になる。これにより、希薄燃料ガスタービンエンジンを安定的に運転することが可能となる。
なお、本実施形態においては、希薄燃料吸入型のガスタービンエンジンＧＴとして、主燃焼器３に触媒燃焼器を用いた例を説明したが、本発明は、他の種類の燃焼器を使用する場合にも適用することができる。
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
３ 主燃焼器
５ タービン
７ 熱交換器
１１ 発電機
１５ 回転軸
１７ 電力変換装置
１９ 外部電力系統
３９ 補助燃焼器
５１ 回転数制御回路
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｓ ガスタービン発電装置
３ 主燃焼器
５ タービン
７ 熱交換器
１１ 発電機
１５ 回転軸
１７ 電力変換装置
１９ 外部電力系統
３９ 補助燃焼器
５１ 回転数制御回路
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｓ ガスタービン発電装置
本発明の一実施形態に係る運転方法において、前記ガスタービンエンジンに、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する主燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器と、当該ガスタービンエンジンの起動時から前記主燃焼器が所定の温度に達するまで前記熱交換器を暖機する補助燃焼器とを設け、前記主燃焼器の温度が所定の値に達するまでの暖機運転状態において、前記ガスタービンエンジンの回転数を定格回転数よりも低い暖機運転時回転数に制御することを含むことが好ましい。この構成によれば、暖機運転用にスタータモータのような駆動装置を追加することなく、簡単な構成でエンジンの回転数を制御し、燃焼器の温度を維持することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る運転方法において、前記主燃焼器の温度が前記所定の値に達した後に、前記補助燃焼器の運転を停止し、前記ガスタービンエンジンの回転数を上昇させて定常運転状態に移行させ、この定常運転状態において、前記発電機の回転数を制御することにより前記主燃焼器の入口温度を所定の作動温度に維持することが好ましい。この構成によれば、定常運転時においても、外部電力系統の周波数の制約を受けることなく、主燃焼器の温度を維持することを優先した回転数制御が可能となる。
本発明の一実施形態に係る運転方法において、ガスタービンエンジンの定常運転終了後に、ガスタービンエンジンを所定の値より低い回転数で回転させるターニング運転をおこなうことが好ましい。この構成によれば、ターニング運転用にモータを追加することなく、簡単な構成でエンジンの回転数を制御して、運転終了後の回転軸のベンディングを防止することができる。
本発明に係るガスタービン発電装置は、低濃度メタンガスに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エンジンと、前記希薄燃料吸入ガスタービンエンジンに回転軸を介して連結されて、該エンジンに駆動される発電機と、前記発電機と外部の電力系統との間に介在する電力変換装置と、前記電力変換装置を介して前記発電機の回転数を制御することにより、当該ガスタービンエンジンの回転数を制御する回転数制御回路とを備える。この発電装置によれば、不安定な希薄燃料の燃料濃度や外部の電力系統の周波数の影響を受けずにガスタービンエンジンの回転数を制御することができる。これにより、燃焼器温度を適切な値に維持して、希薄燃料ガスタービンエンジンを安定的に運転することが可能となる。
暖機運転においては、回転数が上昇しすぎると、主燃焼器３に流入するガス流量が過剰となって主燃焼器３の温度が低下するので、所定の暖機運転回転数に維持する必要がある。したがって、暖機運転時には、電力変換装置１７を介して発電機１１の回転数を制御することにより、図３に示すように、ガスタービンエンジンＧＴの回転数が定格回転数よりも低い暖機運転時回転数Ｒｓ（この例では定格回転数の６５％）に維持されるように制御する。暖機運転の間、図１の補助燃焼器３９には燃料が供給され、熱交換器７に高温の燃焼ガスを供給して熱交換器７を暖機する。暖機運転は、主燃焼器３の温度が所定の値に達するまで継続される。
温度センサ１３で測定した主燃焼器３の入口温度が所定の作動温度、例えば４００℃に達した後、補助燃焼器３９の運転を停止し、ガスタービンエンジンＧＴは図３に示す定常運転に移行する。すなわち、ガスタービンエンジンＧＴから発電機１１に対して十分な出力が得られるようになり、発電機１１が発電状態となり、電力変換装置１７を介して外部電力系統１９に電力を供給する。この定常運転状態において、電力変換装置１７のインバータ５５を制御して、発電機１１の回転数を上昇させることにより、ガスタービンエンジンＧＴの回転数を上昇させる。
Claims (5)
- 低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用して発電機を駆動する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを運転する方法であって、
外部の電力系統と前記発電機との間に電力変換装置を介在させ、この電力変換装置によって前記発電機の回転数を制御することにより、当該ガスタービンエンジンの回転数を制御する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの運転方法。 - 請求項１に記載の運転方法において、前記ガスタービンエンジンに、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する主燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器と、当該ガスタービンエンジンの起動時から前記主燃焼器が所定の温度に達するまで前記熱交換器を暖機する補助燃焼器とを設け、前記燃焼器の温度が所定の値に達するまでの暖機運転状態において、前記ガスタービンエンジンの回転数を定格回転数よりも低い暖機運転時回転数に制御することを含む希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの運転方法。
- 請求項２に記載の運転方法において、前記燃焼器の温度が前記所定の値に達した後に、前記補助燃焼器の運転を停止し、前記ガスタービンエンジンの回転数を上昇させて定常運転状態に移行させ、この定常運転状態において、前記発電機の回転数を制御することにより前記主燃焼器の入口温度を所定の作動温度に維持することを含む希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの運転方法。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の運転方法において、ガスタービンエンジンの定常運転終了後に、ガスタービンエンジンを所定の値より低い回転数で回転させるターニング運転をおこなうことを含む希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの運転方法。
- 低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用するガスタービンエンジンと、
前記希薄燃料吸入ガスタービンエンジンに回転軸を介して連結されて、該エンジンによって駆動される発電機と、
前記発電機と外部の電力系統との間に介在する電力変換装置と、
前記電力変換装置を介して前記発電機の回転数を制御することにより、当該ガスタービンエンジンの回転数を制御する回転数制御回路と、
を備えるガスタービン発電装置。
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