JP5063538B2

JP5063538B2 - ガスタービンの燃料供給方法

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Publication number: JP5063538B2
Application number: JP2008231618A
Authority: JP
Inventors: 浩美小泉; 智広浅井; 知己小金沢; 圭祐三浦; 正平吉田; 庸正西嶋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP2010065579A

Description

本発明は、ガスタービンの燃料供給方法に関する。

近年、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されており、ガスタービンの主要燃料である液化天然ガス（ＬＮＧ）以外に、水素を含む燃料、たとえば製油所や化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガスなどのオフガスをガスタービンのメイン燃料として利用することが検討されている。これらのオフガスは副生燃料であるため安価であり、高効率なガスタービンに利用できれば燃料代のコスト削減に寄与するなどの利点がある。

一方、石炭ガス化や重質油ガス化などの複合発電システム（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）は、豊富な資源を有効に利用した発電システムであり、近年、欧米を中心に実用化されている。これらの燃料は水素を多量に含むガスである。
特に、水素は天然ガスに比べ可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃料配管や排気ダクト内などで発火しやすい燃料である。このため、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合、液体燃料やプロパンなどの他種燃料を起動用燃料として用い、ガスタービンの起動後、低負荷条件にて燃料を切り替える運転方法を行うことで、着火時の安全性を確保している。水素含有燃料と起動用燃料を用いるガスタービンの燃料系統は、特開２００７−３３０２２号公報に記載されている。

特開２００７−３３０２２号公報

特許文献１に記載されているように、水素含有燃料を使用する場合、ガスタービンの着火・起動時などの安全性を考慮する必要がある。そのため、液体燃料や、プロパンなどの高カロリ燃料などを起動用燃料として用いる。具体的には、ガスタービンを起動用燃料にて着火し、起動・昇速，負荷併入後は、起動用燃料から水素含有燃料に運転モードを切り替えることになる。

また、水素は発火しやすい燃料である。そのため、ガスタービンの着火時は勿論、燃料切り替え操作時も、燃料ガス配管内において水素含有燃料と酸素が共存しないように配慮する必要がある。このように、水素含有燃料を使用する場合、起動用燃料系統の設置費用や、起動用燃料のランニングコストなどが発生していた。

本発明の目的は、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合でも、起動用燃料を用いることなく安全にガスタービンを起動することにある。

本発明は、前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び前記パージガスを前記バーナーに供給する第２の工程とを備え、前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合でも、起動用燃料を用いることなく安全にガスタービンを起動することができる。

以下、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について、図面を参照して説明する。

図１は、ガスタービンプラントと燃料供給システムの概略を示したものである。

本実施例のガスタービンプラントは、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６、及び起動用モーター８等などを備える。ガスタービン１は、大気より吸込んだ空気１０１が空気圧縮機２で圧縮され、圧縮空気１０２が燃焼器３へと供給される。燃焼器３では、圧縮空気１０２と水素含有燃料２０１の混合・燃焼によって燃焼ガス１１０が発生し、燃焼ガス１１０がタービン４に供給される。タービン４では燃焼ガスの供給により回転動力が与えられ、タービン４の回転動力が空気圧縮機２、及び発電機６に伝達される。空気圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。

燃焼器３は、圧力容器である外筒１０と、外筒１０の内周部に設けられた燃焼室を形成するライナー１２と、燃焼室の上流に火炎を形成するためのバーナー５１と、燃焼室で発生した燃焼ガス１１０をタービン４へ導く尾筒（図示せず）などを備えている。

本実施例の燃焼器３は、水素を含む気体燃料を燃焼させるものである。また、燃焼器の着火も、液体燃料などの起動用燃料を使用せず、水素含有燃料で実施する。ここで、燃焼器３に供給される燃料には、例えば石油製油所や化学プラントで発生する水素を含むオフガスや製鉄プロセスなどで発生するコークス炉ガス、あるいは、石炭や重質油などの原料を酸素でガス化して得られる石炭ガス化ガスや重質油ガス化ガスなどが挙げられる。これらの燃料には水素が３０〜９０vol％程度含まれている。

燃焼器には水素含有燃料を供給するための燃料系統２５０を備えている。燃料系統は、上流側から順に、水素含有燃料の供給源（タンクなど），流量調節弁の上流側圧力を調整するための圧力調節弁２０２，燃料流量を調整するための流量調節弁（２１０ａ〜２１０ｅ），流量を計測するためのオリフィス（２２０ａ〜２２０ｅ）などで構成される。本実施例では、水素含有燃料の供給源から供給された燃料が圧力調節弁２０２で圧力を調整された後、５つの燃料系統に分岐して、それぞれバーナーに供給される。

燃料の系統数は燃焼器３の燃焼体系によって異なる。燃料と空気をバーナーの別流路から燃焼室に噴出する拡散燃焼器の場合、燃料系統は１系統で成立する。一方、燃焼器頭部にバーナーを複数個配置した燃焼器の場合、バーナー数に応じて燃料系統を増やす必要がある。図１では、Dry低ＮＯｘ燃焼器を想定しており、燃料系統は５系統で示している。

図１の燃料系統において、圧力調節弁２０２の上流側には燃料中の水素濃度を検出するガスクロマトグラフなどの検出装置２０３を備えており、ガスタービンの着火前に燃料中の水素濃度を検出することが可能となっている。また、各燃料系統には、燃料の供給やガスタービン着火時の安全性を向上させるため、不活性ガスの系統（３３０ａ〜３３０ｅ）が各燃料系統（２３０ａ〜２３０ｅ）に接続されている。着火時の燃料中の水素濃度を精度良く低下させるため、不活性ガスの系統には、その上流側から、不活性ガスの供給源（タンクなど）、流量を調節するための流量調節弁（３１０ａ〜３１０ｄ），流量測定用オリフィス（３２０ａ〜３２０ｃ），遮断弁３４０ａ〜３４０ｅ、及び燃料ガスの逆流を防止するための逆止弁（３５０ａ〜３５０ｅ）を備える。そして、燃料系統の上流側に設けられた水素濃度検出装置２０３により燃料中の水素濃度を予め検出して、不活性ガスの流量調節弁３１０ａを制御することで、着火時の不活性ガスの流量を調整することが可能である。不活性ガス３０１は、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などが挙げられる。

なお、図１では水素濃度検出装置２０３の設置位置を圧力調節弁２０２の上流側とした。但し、流量調節弁２１０の上流側や、各燃料系統（２３０ａ〜２３０ｅ）と不活性ガス系統（３３０ａ〜３３０ｅ）との合流地点より下流側に設置しても良い。

次に、図２に基づいて、着火時に使用する燃料系統、及びバーナー構成などを説明する。図２は、バーナーの正面図と、バーナーに通じる燃料系統、及び隣接する燃焼器を併せて示している。ガスタービン燃焼器３は多缶で構成され、点火栓缶３ａと、隣接する燃焼器３ｂ，３ｃを示す。燃焼器には、パイロットとして用いる径方向中心部に備えたパイロットバーナー５１ａと、その外周に低ＮＯｘ燃焼を行うための外周バーナー（５１ｂ〜５１ｇ）を配置している。また、燃焼器には、隣接する燃焼器への着火・火移りを行うためのクロスファイヤー管７１を有する。そして、点火栓缶３ａにて着火後は、圧力の上昇によって、クロスファイヤー管を通じて隣接する燃焼器に燃焼ガスが流れ、着火・火移りする仕組みとなっている。図２では、ガスタービンの着火・起動はパイロットバーナー５１ａ、及び外周バーナー５１ｂ，５１ｄの３つのバーナーで行う。また、クロスファイヤー管７１に隣接する外周バーナー５１ｂ，５１ｄにも燃料を供給することで着火・火移りを容易にしている。

以下、本プラントの運転方法について説明する。始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。ガスタービンの回転数を、燃焼器の着火条件に相当する回転数で一定に保持することで、燃焼器に圧縮空気１０２が供給され着火条件が成立する。

燃焼器は、水素含有燃料の供給に備え、まず不活性ガス３０１により燃料系統２３０ａ〜２３０ｃ内の酸素濃度を低下させる必要がある。そこで、遮断弁３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃを開け、流量調節弁３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃを所定の開度に調整することで、パイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄに不活性ガスが供給される。不活性ガス３０１を一定時間供給することで、流量調節弁（２１０ａ〜２１０ｃ）からパイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄまでの配管内の酸素濃度を低下させることができる。

配管パージ完了後、燃焼器の着火操作時も不活性ガス３０１を引き続き供給することで、水素含有燃料２０１に不活性ガス３０１を混合でき、バーナーに供給される燃料全体の水素濃度を低下できる。従って、起動用燃料を用いなくても、水素含有燃料でガスタービンの安全な着火・起動が可能となり、起動用燃料の設備費や起動用燃料のランニングコストを削減することが可能となる。混合する不活性ガス３０１の流量は、着火前に検出した水素含有燃料２０１の水素濃度に基づいて調整するため、各種水素含有燃料に対応した着火・起動が可能となる。

次にガスタービンの着火において、パイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄに供給する水素含有燃料と不活性ガスの流量変化について説明する。本実施例では、燃焼器のバーナーにて着火後、ガスタービンの昇速はパイロットバーナー５１ａの燃料流量を増加させることで対応し、外周バーナー５１ｂ，５１ｄは、燃料流量の供給を停止する運転方法を想定している。

図３は、燃焼器の径方向中心部に配置したパイロットバーナー５１ａに供給する水素含有燃料と不活性ガスの流量変化（概念図）を示したものである。

図中のａ〜ｅの状態は、
ａ）不活性ガス３０１によるパージ開始
ｂ）不活性ガス３０１によるパージ完了，着火操作開始
ｃ）燃焼器着火完了
ｄ）不活性ガス供給停止
ｅ）無負荷定格回転数
の時期を示している。

ガスタービンの着火条件において、燃焼器に燃料を供給する際、水素含有燃料と酸素が燃料配管内で共存し発火するのを防止する必要がある。そのため、燃料供給前に配管内をパージする必要がある。そこで、ａの時期で、燃料系統の配管内に不活性ガス３０１の供給を開始する。一定時間、不活性ガス３０１を供給することで、配管内のパージが完了し、水素含有燃料２０１の供給が可能となる（ｂの時期）。

燃焼器の着火においては、不活性ガス３０１の流量と水素含有燃料２０１の流量の比率、即ち供給された燃料の水素濃度が重要である。本実施例では、水素濃度検出装置２０３が検出した水素濃度に基づき、水素含有燃料と不活性ガスが混合した後の水素濃度が許容水素濃度以下となるように、不活性ガス３０１の流量を決定する。なお、図３では、配管パージから燃焼器の着火開始まで不活性ガスの流量を一定としているが、区間ａ−ｂにおける不活性ガスの流量は、着火開始時の不活性ガスの流量に対し増減しても問題ない。不活性ガスの流量が少ない場合には、配管内の酸素濃度が低下するまでの時間を確保すれば良い。

ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間（区間ｂ−ｃ）、水素含有燃料及び、前述のように流量を調整された不活性ガスをバーナーに供給し続ける。

燃焼器の着火完了後（ｃの時期）、不活性ガス３０１の供給を停止しつつ、水素含有燃料２０１の流量を増加させることでガスタービンの昇速運転に入ることが可能となる。

これらの着火操作における水素含有燃料２０１の水素濃度変化（概念図）を図４に示す。これは、パイロットバーナー５１ａの上流位置における水素濃度を想定している。燃料配管のパージ期間中（区間ａ−ｂ）は、水素含有燃料２０１の供給がないため、水素濃度はゼロである。燃焼器の着火操作時期ｂより、燃料流量の増加に伴い、水素濃度が徐々に高くなる。着火区間ｂ−ｃにおいては、燃料中の水素濃度を許容水素濃度以下とすることが重要である。燃焼器にて着火完了後は、不活性ガス３０１の停止に伴い、水素濃度が徐々に高くなる。不活性ガス３０１が遮断された時期ｄでは、燃料中の水素濃度は、水素含有燃料２０１と同等となる。なお、水素含有燃料２０１の水素濃度が許容水素濃度以下の場合は、着火操作時に不活性ガスを供給しなくても良い。

ここで、着火時における燃料の体積流量をＱｆ
水素含有燃料２０１中に含まれる水素の体積比率をＣ_H2
着火時に混合する不活性ガスの体積流量をＱ_inertとする

混合する不活性ガスの量が必要量供給されているかは、上記（１）式で判断できる。（１）式で許容水素濃度以下とならない場合は、不活性ガスの流量を増加させることになる。

次に、外周バーナー５１ｂと５１ｄの水素含有燃料，不活性ガスの流量変化（概念図）を図５に示す。燃料配管のパージ開始から燃焼器の着火完了までの不活性ガスと水素含有燃料の流量変化は、図３と同様である。燃焼器の着火完了後は、パイロットバーナーの燃料流量を増加させて昇速するため、外周バーナー５１ｂ，５１ｄの燃料供給を停止する。
燃料配管内で水素含有燃料と酸素を共存させないため、燃料供給を停止した後に不活性ガス３０１の供給を停止する。

次に、拡散燃焼器に本発明の燃料供給方法を適用した例を図６に示す。拡散燃焼器では、バーナーにおいて燃料と空気を別々の流路より供給する。そのため、燃焼室内部に燃料と空気の量論混合域（燃料１ｍ³を燃焼させるのに必要な空気量との比）が多数存在し、局所的な火炎温度の上昇に伴いＮＯｘ濃度が高くなる。このため、燃焼器頭部には火炎温度低減用に蒸気６１０を噴射する系統６００を備えている。

図中には、バックアップ用として起動用油燃料の供給が可能なノズル系統４００と、噴霧空気供給系統５００を備えている。拡散燃焼は安定燃焼範囲が広いため、燃料系統は１系統で対応可能である。燃料系統２５０は、水素含有燃料２０１の供給が可能であり、実施例１と同様に燃料の流量調節弁２１０の下流側にて不活性ガス系統と接続されている。
燃料系統は１系統のため、圧力調節弁の上流に流量計測用のオリフィス２２０を設けている。また、不活性ガス系統も１系統となり複数の燃料系統に分配する必要がないため、図１に示した遮断弁は不要となる。

ガスタービンの着火条件において、まず燃料配管内の酸素濃度を低下させる必要がある。そのため、最初に不活性ガス３０１が燃料系統の配管内に供給される。供給された不活性ガス３０１は、燃料ノズルのガス噴孔８１より燃焼室となるライナー１２内に噴射され、一定時間供給することで燃料配管のパージが完了する。配管パージ完了後、燃焼器の着火操作時も継続して不活性ガス３０１を供給することで、不活性ガスと水素含有燃料との混合により燃料の水素濃度を低下でき、安全に着火することができる。燃焼器での着火完了後、不活性ガス３０１の供給を停止し、水素含有燃料２０１の流量を増加させることで、ガスタービンは昇速運転に入ることが可能となる。

図７は、燃焼器に供給する不活性ガス，水素含有燃料、及び蒸気の流量の変化（概念図）を示したものであり、着火から定格負荷までの流量の変化を示している。燃料配管のパージ完了後、燃焼器の着火操作を実施するため、図中のａ〜ｅの状態は図３と同じ流量の変化となる。燃焼器の着火完了後（ｃの状態）、不活性ガス３０１の供給を停止し、水素含有燃料２０１の流量を増加させることで無負荷定格回転数に到達する（ｅの状態）。その後、負荷併入（ｆの状態）によって負荷運転が可能となり、更なる燃料流量の増加によりガスタービンは定格負荷条件に到達する（ｇの状態）。負荷併入後は、蒸気６１０の供給によりＮＯｘの低減を図っている。

上記のように、本実施例によれば、起動用燃料にて着火・起動し、低負荷条件において起動用燃料から水素含有燃料への燃料切り替えが不要となる。そのため、着火時から水素含有燃料を使用でき、負荷運転の途中で燃料切り替え操作が不要となる。

燃焼器の着火（ｂ−ｃの区間）においては、拡散燃焼器であっても不活性ガス３０１と水素含有燃料２０１の流量比調整が重要である。そこで、両者混合後の水素濃度が許容濃度以下になるように不活性ガスの流量を調整することで、安全な着火が可能となる。

本発明の実施例１を示す発電プラントの系統概略図である。本発明の実施例１に関連する着火系統、バーナーの正面図である。本発明の実施例１に関するパイロットバーナーの燃料と不活性ガスの流量の関係を示す図である。本発明の実施例１に関連する着火時の燃料濃度を示す概念図である。本発明の実施例１に関連する外周バーナーの燃料と不活性ガスの流量の関係を示す図である。本発明の実施例２に関連する発電プラントの系統概略図である。本発明の実施例２に関連する燃料，不活性ガス，蒸気流量の関係を示す図である。

符号の説明

１ガスタービン
２空気圧縮機
３燃焼器
３ａ点火栓缶
３ｂ，３ｃ燃焼器
４タービン
６発電機
８起動用モーター
１０外筒
１２ライナー
５１バーナー
５１ａパイロットバーナー
５１ｂ〜５１ｇ外周バーナー
７１クロスファイヤー管
１０２圧縮空気
１１０燃焼ガス
２０１水素含有燃料
２０２圧力調節弁
２０３水素濃度検出装置
２１０ａ〜２１０ｅ，３１０ａ〜３１０ｄ流量調節弁
２２０ａ〜２２０ｅオリフィス
２３０ａ〜２３０ｅ，２５０燃料系統
３０１不活性ガス
３２０ａ〜３２０ｃ流量測定用オリフィス
３３０ａ〜３３０ｅ不活性ガス系統
３４０ａ〜３４０ｅ遮断弁
３５０ａ〜３５０ｅ逆止弁

Claims

水素含有燃料を供給する燃料系統と、
該燃料系統に接続され、前記水素含有燃料を燃焼室に噴出するバーナーと、
該燃料系統にパージガスを供給する系統とを備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、
ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び前記パージガスを前記バーナーに同時に供給する第２の工程とを備え、
前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、
前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、
前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、
前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
ガスタービン燃焼器の着火完了後、前記パージガスの供給を停止する第３の工程を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。
水素含有燃料を供給する燃料系統と、
該燃料系統に接続され、前記水素含有燃料を燃焼室に噴出するバーナーと、
該燃料系統にパージガスを供給する系統とを備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、
前記水素含有燃料の水素濃度に応じて、前記パージガスと前記水素含有燃料とを混合した燃料中の水素濃度が許容水素濃度となるように、前記パージガスの流量を調整する第２の工程と、
ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び、前記第２の工程で流量を調整したパージガスを前記バーナーに同時に供給する第３の工程とを備え、
前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、
前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、
前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、
前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。