JP5415276B2 - ガスタービンを運転する方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、発電プラント工業の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、特に複合発電プラントで使用されている（据置き式の）ガスタービンを運転するための方法、すなわちガスタービンにより空気を吸い込んで圧縮し、圧縮された空気を、石炭から取得された合成ガスを燃焼させるために燃焼器に供給し、燃焼の際に発生した高温のガスを、後続のタービンで、仕事もしくは作業の実行下に膨張させ、しかも圧縮された空気の一部を酸素と窒素とに分解し、酸素を、石炭ガス化設備で、合成ガスを発生させるために使用する形式の方法に関する。さらに本発明は該方法を実施するためのガスタービンに関する。

背景技術
再熱式のガスタービン（reheat gas turbine）が知られている（たとえば米国特許第５５７７３７８号明細書または「State-of-the-art gas turbines-a brief update」、ABB Review 02/1997, Fig.15, Turbinentyp GT26参照）。このようなガスタービンはフレキシブルな、つまり自在な運転を、極めて低い排ガスエミッション値と組み合わせている。

タイプＧＴ２６のガスタービンの機械アーキテクチャは無類であり、本発明の対象となるコンセプトを実現するために好適である。その理由としては以下のことが挙げられる：
−圧縮機において既に、中間の圧縮機圧力での圧縮機空気の、重要な分岐が存在する、
−シーケンシャル燃焼のコンセプトにより、酸素過剰量の減じられた値において燃焼の高められた安定性が可能となり、
−圧縮機から空気を分岐させ、冷却し、冷却された空気を燃焼器およびタービンの冷却のために使用することを可能にする二次空気システムが存在する。

図１には、公知の再熱式のガスタービンの原理が図示されている。コンバインドサイクル、つまり複合発電プラント１０の一部であるガスタービン１１は、１つの共通の軸１５に配置されて直列接続された２つの圧縮機、つまり低圧圧縮機１３および高圧圧縮機１４と、２つの燃焼器、つまり高圧燃焼器１８および再熱燃焼器１９と、所属のタービン、つまり高圧タービン１６および低圧タービン１７とを有している。軸１５は発電機１２を駆動する。

このプラントの作業形式は以下の通りである：空気流入部２０を介して低圧圧縮機１３により空気が吸い込まれる。この空気はまず中間圧力レベル（約２０バール）にまで圧縮される。次いで、高圧圧縮機１４により、この空気は引き続き高圧レベル（約３２バール）にまで圧縮される。冷却空気は中間圧力レベルでも、高圧レベルでも分岐されて、対応するＯＴＣ（OTC＝Once Through Cooler）冷却器２３，２４内で冷却され、そして引き続き冷却管路２５，２６を介して冷却のために燃焼器１８，１９およびタービン１６，１７へ案内される。高圧圧縮機１４からの残りの空気は高圧燃焼器１８へ案内されて、この高圧燃焼器１８において燃料供給部２１を介して供給された燃料の燃焼により加熱される。発生した排ガスは次いで、後続の高圧タービン１６において作業出力下に所定の中間圧力レベルにまで膨張させられる。膨張後に、排ガスは再熱燃焼器１９において、燃料供給部２２を介して供給された燃料の燃焼によって再び加熱され、その後でこの排ガスは後続の低圧タービン１７において別の作業出力下に膨張させられる。

冷却管路２５，２６を通って流れる冷却空気は両燃焼器１８，１９および両タービン１６，１７の適当な個所でノズル供給され、これにより材料温度は許容し得る程度に制限される。低圧タービン１７から到来した排ガスは排熱回収式蒸気発生装置（HRSG= Heat Recovery Steam Generator）２７に通され、これにより蒸気が発生させられる。この蒸気は水・蒸気循環路内で蒸気タービン２９を通って流れて、この蒸気タービン２９において別の作業もしくは仕事を実施する。排熱回収式蒸気発生装置２７を通流した後に、排ガスは最終的に排ガス管路２８を通って外部へ送出される。ＯＴＣ冷却器２３，２４は水・蒸気循環路の一部である。すなわち、ＯＴＣ冷却器２３，２４の出口には、過熱された蒸気が発生させられる。

両燃焼器１８，１９における、互いに独立した別個の連続した両燃焼により、運転時における大きな自在性が達成される；燃焼器温度は、存在する範囲内で最大の効率が達成されるように調節され得る。シーケンシャルな燃焼システムの低い排ガス値は、固有（inhaerent）の低いエミッション値により与えられている。このエミッション値は中間過熱時もしくは再熱時に達成可能である（特定の条件下では第２の燃焼はそれどころかＮＯｘ消費をもたらす）。

他方において、ガスタービンにおける単段式の燃焼を有する複合発電プラントが知られている（たとえば米国特許出願公開第４７８５６２２号明細書または米国特許第６５１３３１７号明細書）。このような複合発電プラットには、空気分解設備（Air Separation Unit ASU参照）により酸素を供給される石炭ガス化設備が組み込まれており、これによりガスタービンのために必要とされる燃料が、石炭から獲得された合成ガスの形で提供される。このような複合発電プラントは統合されたガス化複合サイクルもしくはＩＧＣＣプラント（IGCC= Integrated Gasification Combined Cycle）と呼ばれる。

本発明は、図１に示した再熱式のガスタービンをＩＧＣＣプラントにおいて使用することにより、このタイプのガスタービンの利点を前記プラントのために特に有効に利用することができるということを認識することから出発する。

空気分解設備が組み込まれず、かつ希薄化されていない燃料が燃焼され得ると、ＩＧＣＣプラントの運転時における極めて高い自在性および効率を達成することができる。このことは、図１に示した再熱式のガスタービンによって実現され得る。それと同時に、ＮＯｘコントロールの択一的なコンセプトに基づき、エミッションは低く保持される。このような過程は再熱の利点を得る。

ＩＧＣＣプラントへのガスタービンの組込みは、図２に示したように典型的には圧縮機にも燃焼器にも影響を与える。すなわち、図２に示した複合発電プラント３０はガスタービン１１を有しており、このガスタービン１１は低圧圧縮機１３と、後続の高圧圧縮機１４と、高圧燃焼器１８および後続の高圧タービン１６と、再熱燃焼器１９および後続の低圧タービン１７とを備えている。両圧縮機１３，１４および両タービン１６，１７は１つの共通の軸１５に装着されている。この軸１５によって発電機１２が駆動される。両燃焼器１８，１９には、合成ガス供給管路３１を介して燃料である合成ガスが供給される。この合成ガスは石炭ガス化設備３４における石炭（石炭供給部３３）のガス化により発生させられる。石炭ガス化設備３４には、合成ガスのための冷却装置３５と、清浄化設備３６と、ＣＯ_２分離器３７とが後置されている。ＣＯ_２分離器３７は分離されたＣＯ_２を送出するためのＣＯ_２出口３８を備えている。

石炭ガス化設備３４における石炭ガス化のためには、酸素（Ｏ_２）が使用される。この酸素は空気分解設備３２において取得されて、酸素管路３２ａを介して供給される。空気分解設備３２は低圧圧縮機１３の出口から圧縮された空気を得る。分解時に同じく発生した窒素（Ｎ_２）は、たとえば合成ガスを希薄化するために窒素管路３２ｂを介して低圧燃焼器１９（および／または高圧燃焼器１８）に供給される。

両燃焼器１８，１９および両タービン１６，１７の、熱ガスにより負荷されたコンポーネントを冷却するためには、両圧縮機１３，１４の出口において、圧縮された冷却空気が取り出され、後置されたＯＴＣ冷却器２３；２４において冷却され、次いで、相応する冷却管路２５，２６を介して、冷却したい個所に供給される。

低圧タービン１７の出口には、排熱回収式蒸気発生装置２７が配置されている。この排熱回収式蒸気発生装置２７は接続された蒸気タービン２９と共に水・蒸気循環路の一部を成している。排熱回収式蒸気発生装置２７から流出した排ガスは排ガス管路２８を介して外部へ放出される。

ガスタービンのこのような組込みもしくは統合化により、以下のことがもたらされる：
−燃焼器を介して付与された燃料質量流を補償するために、圧縮機からの空気が空気分解設備のために分岐される；
−ＮＯｘの発生をコントロールするために、窒素（Ｎ_２）が合成ガス燃料（ＣＯ富含の燃料およびＨ_２富含の燃料）の希薄化のために付与される。

基本的に、合成ガス燃料の投入時には、ＮＯｘをコントロールするための２つの手段が存在する：
−実際に使用されている一般的な手段として、ガス化の後に、空気分解設備からのＮ_２を用いて燃料を希薄化することにより、ＣＯ富含の合成ガス燃料およびあとからのＨ_２富含の合成ガス燃料におけるＮＯｘレベルをコントロールする（図２参照）、
−Ｎ_２希薄化に対する択一的な手段として、火炎温度を低下させるか、または後バーナまたは再熱の場合には燃焼の第２段において流入温度を低下させる。

再熱式のガスタービンのために可能となるこのような択一的な手段は、出力を著しく損なうことなしにＮＯｘの発生をコントロールする機会を提供する。

発明の開示
本発明の課題は、出力および運転自在性の著しい損失なしにＮＯｘエミッションを減少させる点ですぐれているような、石炭ガス化設備と協働するガスタービンを運転するための方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明にとって重要となるのは、２つの燃焼器と２つのタービンとを有する、再熱式のガスタービンを使用し、第１の燃焼器で、圧縮された空気の使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第１のタービンで膨張させ、第２の燃焼器で、第１のタービンから到来したガスの使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第２のタービンで膨張させ、両燃焼器を、希薄化されていない合成ガスによって運転し、ガスタービンの第１の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて低下させ、しかも第２の燃焼器を十分に、天然ガスのために設計された標準運転で運転することである。

本発明による方法の実施態様は、燃料として、ＣＯ富含の合成ガスを使用し、ガスタービンの第１の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて５０〜１００Ｋだけ低下させることにより特徴付けられている。

本発明による方法の別の実施態様は、燃料として、Ｈ_２富含の合成ガスを使用し、ガスタービンの第１の燃焼器内の火炎温度を、天然ガスを用いた運転に比べて１００〜１５０Ｋだけ低下させることにより特徴付けられている。

公知先行技術による、再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のガスタービンの複合発電プラントを示す回路図である。 再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のＩＧＣＣプラントの回路図であり、この場合、空気分解時に取得された窒素が、合成ガスの希薄化のために使用される。 再熱式もしくはシーケンシャル燃焼式のＩＧＣＣプラントの回路図であり、この場合、本発明により希薄化されていない合成ガスが燃料として使用され、第１の燃焼器内の火炎温度が、ＮＯｘエミッションの低減のために減少される。

発明を実施するための形態
図３には、本発明により運転される、再熱もしくはシーケンシャルな燃焼を有するガスタービンを備えた統合されたガス化複合サイクルもしくはＩＧＣＣプラントの概略的な回路図が示されている。図２に示した構成の場合と同一のプラント構成部分に関しては、図２の場合と同じ符号が使用されている。空気分解設備３２において生じた窒素（Ｎ_２）は、もはや燃料として使用される合成ガスの希薄化のためには使用されない。合成ガスは希薄化されずに燃焼器１８，１９に供給される。このためには、第１の燃焼器１８において、火炎温度Ｔ_Ｆが、標準の天然ガス運転時に生ぜしめられる温度Ｔ_ＮＧに比べて低下され、それに対して第２の燃焼器１９では、天然ガス運転のために設定された公称（nominal.）火炎温度Ｔ_ＮＧが維持される。第１の燃焼器１８内の火炎温度を低下させることにより、重大となる出力損失が生じることなしにＮＯｘの発生をコントロールすることができる。すなわち、再熱もしくはシーケンシャル燃焼なしのガスタービンでは、（唯一つの）燃焼器内の火炎温度を１００゜だけ低下させることにより、１０％の出力減少および１％の効率減少が生ぜしめられるのに対して、シーケンシャル燃焼を有するガスタービンの第１の燃焼器内の火炎温度を低下させても、約１％の出力減少および０．１％の効率減少しか生ぜしめられない。

第１の燃焼器１８内の火炎温度Ｔ_Ｆを低下させる量は、使用される合成ガスの種類に左右される：
ＣＯ富有の合成ガスを有するＩＧＣＣプラントの場合、以下に挙げる状況が生ぜしめられる：
−第１の燃焼器１８内の火炎温度Ｔ_Ｆは、天然ガス運転に比べて５０〜１００Ｋだけ低下される。

−第２の燃焼器１９は公称火炎温度で運転されるが、ただし第１の燃焼器内の減じられた火炎温度に基づき生ぜしめられる、より低い流入温度で運転される。

−これにより、窒素を用いた合成ガスの希薄化なしに両燃焼器１８，１９の運転が可能となり；希薄化されていない合成ガスの低位発熱量（Low Heating Value LHV）は１２〜１４（MJ/kg）のオーダにあり；希薄化された合成ガス燃料は５〜７（MJ/kg）のオーダの低位発熱量を有する。

−第１の燃焼器１８だけが、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度を用いて運転されるという事実に基づき、第２の燃焼器は変更されずに、天然ガス運転のために設定された火炎温度を用いて運転されるので、タービン流出温度（第２のタービン１７の）は天然ガス運転時と同じ温度となる。したがって、ＩＧＣＣプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の損失は生ぜしめられない。このことは、火炎が、流出条件の代わりに流入条件によってコントロールされる再熱式のガスタービンの特殊な特性である。

−それに対して、再熱なしのガスタービンでは、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度により、タービン流出温度の著しい減少が生ぜしめられる。このようなタービン流出温度の減少は天然ガス運転に比べてＩＧＣＣプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の著しい損失を招く原因となる。

−したがって、当該プラントは以下の利点を持って運転され得る：
ＩＧＣＣプラントの運転時におけるできだけ大きな自在性およびできるだけ大きな効率が得られる；空気分解設備３２は組み込まれていなくてもよく、燃料は窒素によって希薄化されなくてよい。

ＮＯｘの発生をコントロールするために、希薄化されていないＣＯ富含の燃料の燃焼時に火炎温度の僅かな減少で十分となる。

天然ガスに合わせて設計されたガスタービンの圧縮機およびタービンの機械的な設計の変更が必要とならない。合成ガスの希薄化が存在しないことにより、希薄化された合成ガスに比べて天然ガスと、希薄化されていない合成ガスとの間の発熱量差が小さくなる。

ガスタービンのための運転コンセプトが簡単でかつフレキシブルとなる。

空気分解設備３２の組込みが存在しないことに基づき、プラント全体の運転がフレキシブルになる。

ガスタービンの不変の流出温度が、ＩＧＣＣプラントのための高い出力および高い効率をもたらす。

ＣＯ_２分離のためのＣＯ_２シフト反応を有するＨ_２富含の合成ガスを有するＩＧＣＣプラントの場合には、以下に挙げる状況が生ぜしめられる：
−第１の燃焼器１８内のＨ_２を有する運転時における火炎温度Ｔ_Ｆは、天然ガス運転に比べて１００〜１５０Ｋだけ低下される。

−第２の燃焼器１９は天然ガス運転のための公称火炎温度で運転される。

−これにより、両燃焼器１８，１９の運転が、窒素を用いた合成ガスの希薄化なしに可能となる；Ｈ_２の低位発熱量は３０〜３５（MJ/kg）のオーダにあり；アシスト燃料および希薄化されていないＨ_２の低位発熱量は同じオーダにあり、このことはタービンおよび圧縮機の、あまり問題にはならない誤適合しかもたらさない。

−希薄化されたＨ_２燃料は６〜９（MJ/kg）のオーダの低位発熱量を有している。

−第１の燃焼器１８だけが、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度で運転されるという事実に基づき、ガスタービンのタービン流出温度は天然ガス運転時と同じ温度である。したがって、ＩＧＣＣプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の損失は生ぜしめられない。

−それに対して、再熱なしのガスタービンでは、減じられた火炎温度もしくはタービン流入温度により、タービン流出温度の著しい減少が生ぜしめられる。このようなタービン流出温度の著しい減少は、天然ガス運転に比べてＩＧＣＣプラントの複合回路プロセスのための出力および効率の著しい損失を招く原因となる。

−したがって、このプラントは以下に挙げる利点を持って運転され得る：
ＩＧＣＣプラントの運転時におけるできだけ大きな自在性およびできるだけ大きな効率が得られる；空気分解設備３２が組み込まれていなくてもよく、燃料は窒素によって希薄化されなくてよい。

当該プラントの製作ならびに運転および保守のためにかかるコストが減少する。Ｎ_２を圧縮するための装備が必要とならない。

ＮＯｘの発生をコントロールするために、希薄化されていないＨ_２燃料の燃焼時に火炎温度の僅かな減少で十分となる。

天然ガスに合わせて設計されたガスタービンの圧縮機およびタービンの機械的な設計の変更が必要とならない。合成ガスの希薄化が存在しないことにより、希薄化された合成ガスに比べて天然ガスと、希薄化されていない合成ガスとの間の発熱量差が小さくなる。

ガスタービンのための運転コンセプトが簡単でかつフレキシブルとなる。

空気分解設備３２の組込みが存在しないことに基づき、プラント全体の運転がフレキシブルになる。

ガスタービンの不変の流出温度が、ＩＧＣＣプラントのための高い出力および高い効率をもたらす。

空気分解設備の組込みが存在しないことに基づき、当該プラントの運転はフレキシブルとなり、一層迅速に始動させることができる。

完全に組み込まれていない空気分解設備の、上で説明したコンセプトのための前提条件は、ガスタービンの両燃焼器において、希薄化されていない石炭ガスを使用することができることである。

ガスタービンの燃焼器における、このような希薄化されていない石炭ガスの燃焼のための、主要な技術的要求は以下の通りである：
−低いエミッション値の達成、
逆火および脈動の範囲に対する十分な間隔、
石炭ガスの品質変動時の運転自在性の維持およびアシスト燃焼（天然ガスまたはオイル）の使用可能性、
燃焼器およびタービンの熱ガス範囲への冷却空気の流出および戻し案内。

再熱式のガスタービンは合成ガス使用時にこれらの要求に、以下に挙げる理由から特に良好に応えることができる：
１．再熱式のガスタービンにとって特有であるのは、ＮＯｘエミッションにおける利点であり、この利点は両燃焼器内での燃焼温度の最適な選択を介して合成ガス使用に転用され得る。

２．再熱式のガスタービンの燃焼安定性および運転自在性は、単段式の燃焼を有する比較可能な機械におけるよりも大きい。運転範囲は、与えられた火炎温度において典型的には消火および逆火および/またはエミッションレベルにより与えられており、このことは燃料品質および燃料反応性の許容された範囲をもたらす。再熱式のガスタービンでは、このような運転範囲が著しく拡張されている。なぜならば、２つの燃焼システムが、互いに異なるもしくは互いに別個の２つの火炎温度を有する運転を可能にする、すなわち第１の段における低い温度と、第２の段における高い温度とを有する運転を可能にし、しかもＮＯｘエミッションに関する極めて小さな不都合が伴うだけであるからである。

３．希薄化性のＮ_２が、典型的には＞３０バールの圧力もしくは１５〜２０バールの範囲で動作する第１の燃焼システムおよび第２の燃焼システム内に注入されない場合に、ガス圧に対する要求を最小限に抑えることができる。

１０，３０ 複合発電プラント
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１５ 軸（ガスタービン）
１６ 高圧タービン
１７ 低圧タービン
１８ 燃焼器（高圧燃焼器）
１９ 燃焼器（再熱燃焼器）
２０ 空気流入部
２１，２２ 燃料供給部
２３，２４ ＯＴＣ冷却器
２５，２６ 冷却管路
２７ 排熱回収式蒸気発生装置
２８ 排ガス管路
２９ 蒸気タービン（蒸気循環路）
３１ 合成ガス供給管路
３２ 空気分解設備
３２ａ 酸素管路
３２ｂ 窒素管路
３３ 石炭供給部
３４ 石炭ガス化設備
３５ 冷却装置
３６ 清浄化設備
３７ ＯＣ_２分離器
３８ ＣＯ_２出口

Claims (3)

1. 複合発電プラント（３０）で使用されているガスタービン（１１）を運転する方法であって、ガスタービン（１１）により空気を吸い込んで圧縮し、圧縮された空気を、石炭から取得された合成ガスを燃焼させるために燃焼器（１８，１９）に供給し、燃焼の際に発生した高温のガスを、後続のタービン（１６，１７）で膨張させ、しかも圧縮された空気の一部を酸素と窒素とに分解し、酸素を、石炭ガス化設備（３４）で、合成ガスを発生させるために使用する形式の方法において、
   ２つの燃焼器（１８，１９）と１つの共通の軸（１５）に装着された２つのタービン（１６，１７）とを有する、再熱式のガスタービン（１１）を使用し、第１の燃焼器（１８）で、圧縮された空気の使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第１のタービン（１６）で膨張させ、第２の燃焼器で、第１のタービン（１６）から到来したガスの使用下に合成ガスを燃焼させ、発生した高温のガスを第２のタービン（１７）で膨張させ、
   両燃焼器（１８，１９）を、希薄化されていない合成ガスによって運転し、
   ガスタービン（１１）の第１の燃焼器（１８）内の火炎温度（Ｔ_Ｆ）を、天然ガス運転時に生じる公称火炎温度（Ｔ_ＮＧ ）に比べて低下させ、第２の燃焼器（１９）を、前記公称火炎温度（Ｔ_ＮＧ）で運転する、
   ことを特徴とする、ガスタービンを運転する方法。
2. 燃料として、ＣＯ富含の合成ガスを使用し、ガスタービン（１１）の第１の燃焼器（１８）内の火炎温度（Ｔ_Ｆ）を、天然ガスを用いた運転に比べて５０〜１００Ｋだけ低下させる、請求項１記載の方法。
3. 燃料として、Ｈ_２富含の合成ガスを使用し、ガスタービン（１１）の第１の燃焼器（１８）内の火炎温度（Ｔ_Ｆ）を、天然ガスを用いた運転に比べて１００〜１５０Ｋだけ低下させる、請求項１記載の方法。

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