JP4795999B2 - ガスタービン発電システム - Google Patents

Description

本発明は、大気圧の低い高地においても安定した出力を得ることのできるガスタービン発電システムに関するものである。

ガスタービンは、空気入口、コンプレッサ、燃焼室、タービン及び排気口を主構成要素としており、燃焼室内の空気−燃料混合物の点火の前に燃料と混合するため取り入れられた空気（以下、吸入空気）を圧縮し、点火によって高温ガスを発生してタービンを駆動する。
大気圧の低い高地においては、吸入空気の質量が減少する。したがって、ガスタービンの出力が低下する。この出力低下に対応するために、吸入空気に含まれる酸素濃度を高くしてやることが考えられる。

特許文献１には、ガスタービンの酸化剤を、酸素又は高酸素濃度の空気とすることが提案されている。特許文献１には、燃焼に関与しない窒素がほとんど含まれなくなるので、排気ガス保有熱による熱損失を１２％以下に低減でき、しかも圧縮機における消費動力も低減できるので、効率を向上できることが開示されている。
また、特許文献２には、以下の記載がある。すなわち、混合器に圧縮器から空気が、酸素ボンベからは純酸素が供給され、相対的に酸素濃度の大きい（窒素濃度が低い）空気（酸化剤）が作られる。その際、燃焼器端部ではセンサによりＮＯｘの計測を行い、そのＮＯｘ値を基に、空気の供給量と純酸素の供給量を設定する。相対的に酸素濃度の大きな空気は、パイロットバーナの酸化剤供給系へ輸送される。パイロットバーナの燃料噴射装置からは燃料が供給され、酸化剤供給系より供給される酸化剤と混合しながら燃焼し、パイロットバーナを形成する。

特開昭６３−３２１２７号公報 特開平５−３２１６９３号公報

本発明者等の検討によれば、酸化剤における酸素濃度を高くすると、特に、燃焼器、ガスタービンの起動時において爆発的な燃焼が起こり、着火が難しくなる。
また、燃料としてカロリー量が一定しない例えば高炉ガスを用いる場合、カロリー量安定のために高カロリーガスを添加した場合、燃焼に必要な酸素量が変動してしまう。高炉ガスのような低カロリーガスを使用する場合、例えば、ガス種が４Ａ、５ＡＮの場合、燃焼カロリーが低いだけでなく燃焼速度も遅いため、ガスタービンのようにガス流が極めて早い燃焼器では、酸素量が低いと低カロリーガスが不完全燃焼又は未燃のままタービン外へ排出されるという欠点を有している。
以上の問題に対して、特許文献１、特許文献２は、解決策を与えない。
本発明は以上の背景に鑑み、起動時における爆発的な燃焼を起こさず、さらにカロリー量が低くかつ安定しない燃料を用いた場合でも、高地において出力の低下を抑えることのできるガスタービン発電システムを提供することを目的とする。

本発明のガスタービン発電システムは、大気よりも酸素濃度の高い空気を用いることを前提とする。高地におけるガスタービン発電システムの出力低下を防止するためである。しかるに、単純に酸素濃度の高い空気を用いたのでは、上述したような不具合が生じる。そこで本発明では、予混合時に、燃焼状態を火焔色センサ、サーモカップル等で燃焼状態を検知し、その検知結果に基づいて、酸素濃度の高い空気の供給量を制御することにより、爆発限界内で最適な燃焼状態を作る。このことにより未燃生ガスの排出が防げるとともにＮＯｘの生成を最小限度に抑えることができる。
また、ＤＳＳ（Daily-Start-and-Stop）運転を採用している場合は、システム管理上の定められた回転数に達するまでは制御が難しいので、定格運転に入ってから酸素濃度の高い空気の供給制御を開始する。運転の開始時から酸素濃度の高い空気を使用すると、炎の立ち消え後の運転再開時に燃焼室の残存酸素濃度が高いために、異常燃焼を起こす可能性があるためである。

以上に基づく本発明のガスタービン発電システムは、吸入される空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転されるガスタービンと、ガスタービンの回転により駆動される発電機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを保持するガス保持手段と、高酸素ガスを圧縮空気に混合する混合手段と、混合手段の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、ガスタービンの回転数に関する情報を取得し、かつ、取得したガスタービンの回転数に関する情報に基づいて、ガスタービンがシステム管理上の定められた回転数に達したと判断した場合に、混合手段を制御して、高酸素ガスを圧縮空気に混合させる。さらに、制御部は、燃焼器における燃焼状態に関する情報を取得し、かつ、取得した燃焼状態に関する情報に基づいて、混合手段を制御し、圧縮空気に混合する高酸素ガスの量を調整する。これらの場合、燃焼器は、圧縮空気及び高酸素ガスからなる混合ガスと燃料とを燃焼することになる。

本発明に用いられる高酸素ガスとしては、酸素濃度を高くした空気の他に、純酸素を用いることができる。酸素濃度を高くした空気を得るには、高酸素ガスよりも酸素濃度の低いガス、典型的には酸素濃度が２１％程度の空気を、酸素富化膜に通過させればよい。酸素富化膜という簡易な部材により、高酸素ガスを得ることができるという利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、起動時における爆発的な燃焼を起こさず、さらにカロリー量が低くかつ安定しない燃料を用いた場合でも、高地において出力の低下を抑えることのできるガスタービン発電システムを提供できる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明によるガスタービン発電システム１００の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、ガスタービン発電システム１００は、発電にかかる基本的な構成として、発電機１と、ガスタービン２と圧縮機３とを同一の回転軸４上に配列する。そして、圧縮機３で圧縮された空気と燃料とを燃焼器５に供給して燃焼させ、この燃焼ガスによりガスタービン２を回転させて発電機１を駆動して発電を行う。なお、以上の基本的な構成については、従来公知の技術を適宜利用できることはいうまでもない。

ガスタービン発電システム１００は、以上の基本的な構成の他に、酸素富化装置６を備えている。酸素富化装置６は、大気（空気）を取り入れて、その酸素濃度を高くすることができる。酸素濃度の高い空気が、圧縮機３で圧縮された空気と混合可能なように供給経路が形成されている。この供給経路上には、酸素濃度が向上された空気の流量を制御する弁７が設けられている。酸素富化装置６の主たる構成要素として、酸素富化膜を用いることができる。酸素富化膜を通過させると、空気の酸素濃度を２１％から３０％程度まで高くすることができる。酸素富化膜は、酸素と窒素を分離する膜で、空気を通すと窒素より酸素が多く透過する特性を備えている。なお、酸素富化装置６により高酸素ガスを生成する代わりに、純酸素を高酸素ガスとして用いることもできる。
弁７の開閉を制御する制御部８が設けられている。制御部８は、ガスタービン２の回転数データを取得する。また、制御部８は、燃焼器５内部の燃焼温度を検知する温度計９から燃焼温度データを取得する。温度計９としては、熱電対、火焔色センサを用いることができる。制御部８は、取得した燃焼温度に基づいて、酸素濃度の高い空気の供給有無、及び供給量を特定して、弁７の開閉を制御する。弁７は、流量を調整することもできる。

ガスタービン発電システム１００の燃焼器５は、パイロットバーナ及び予混合器を備えている。
パイロットバーナは、一般に、予混合器に比べて燃焼器５の前段に設けられる。パイロットバーナでは、燃料と空気が別々に噴出し、互いに混合しながら燃焼が行われる。この燃焼方式を拡散燃焼と呼んでいる。
予混合器において空気は燃料と混合され予混合気を形成する。その際、ＮＯｘの発生を抑制するために、予混合器内に噴射される燃料量は、予混合気が低燃料濃度になるように設定されている。予混合気は、燃焼器５において燃焼される。一般に、この燃焼方式を予混合燃焼と呼んでいる。
しかし、低燃料濃度の予混合気の燃焼は不安定になりやすく火炎の吹き飛び、吹き消え等が生じる可能性がある。そのため、パイロット火炎中には、高燃料濃度領域が存在しその部分が局所的に高温となるため、燃焼が安定に行われる。この安定なパイロット火炎を用いることにより、燃焼器５内の予混合燃焼を安定化することが可能となる。
ガスタービン２の出力は、基本的には吸い込み量の流量重量に比例するが、酸素量が増えると燃焼可能な燃料を増やすことができ、出力増強が可能となる。

燃焼器５の起動、停止時及びタービン負荷が小さい間は、空気及び燃料の供給量が少なく、燃焼室への混合気の流速が小さくなる。そのため、予混合燃焼形式では逆火発生の可能性がある。そこで、燃焼器５の起動、停止時及びタービン負荷が小さい間は拡散燃焼によるパイロットバーナのみで運転を行い、その後に予混合燃焼を行うのが一般的である。ガスタービン発電システム１００も、この一般的な手順に従って運転される。

ガスタービン発電システム１００は、燃焼器５に流入する空気（酸化剤）は２つの供給系統を有している。一方は、大気中から取り込まれ、かつ圧縮機３により圧縮された空気である。ガスタービン発電システム１００が高地にある場合、この空気は酸素濃度が通常の２１％よりも低く、２２００ｍの高地の場合、平地に換算すると酸素濃度は１６％となる。したがって、高地において、圧縮機３により平地と同様の空気圧縮比である２０前後で圧縮された空気のみを酸化剤として使用すると、ガスタービン発電システム１００の出力が低下する。そこで、ガスタービン発電システム１００は、他の空気供給経路を備える。他の空気供給経路は、酸素富化装置６を備えており、圧縮機３により圧縮された圧縮空気よりも酸素濃度の高い空気（高酸素ガス）を生成する。この酸素濃度の高い空気は、必要に応じて圧縮空気に混合される。この混合を制御するのが、制御部８である。

次に、制御部８の制御手順を図２に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
制御部８は、ガスタービン２の起動が開始されると、その回転数に関する情報を取得して監視する（Ｓ１０１）。なお、ガスタービン２は、起動開始時には、別途配設されているモータによって回転される。その後、パイロットバーナ着火、予混合バーナ着火を経て、圧縮空気と燃料とが燃焼される。この間、制御部８は、ガスタービン２の回転数に関する情報を逐次取得ながら、ガスタービン２の回転数がシステム管理上の定められた回転数（所定回転数）未満の場合にはその監視を継続する（Ｓ１０３）。

制御部８は、ガスタービン２の回転数に関する情報に基づいて、ガスタービン２の回転数がシステム管理上の定められた回転数に達したと判断したら（Ｓ１０３）、燃焼器５における燃焼状態に関する情報を取得して、燃焼状態を監視する（Ｓ１０５）。ここで、本実施の形態においては、燃焼状態として燃焼温度を監視し、燃焼温度に応じて、供給する高酸素ガスの供給量を決定する。ただし、これはあくまで一例であって、燃焼状態として、燃焼温度以外の、例えばタービン軸回転数、燃焼炎の色を監視対象とすることもできる。

制御部８は、燃焼温度Ｔが温度Ｔ１を超えるか否か判断する（Ｓ１０７）。
燃焼温度Ｔが温度Ｔ１を超えていれば、高酸素ガスをａ量だけ供給するように、弁７に対してその動作を指示する（Ｓ１０９）。高酸素ガスをａ量だけ供給するように指示した後、制御部８はガスタービン２の運転が終了するまで、燃焼温度を継続して監視する。
一方、制御部８は、燃焼温度Ｔが温度Ｔ１以下の場合には、さらに燃焼温度Ｔが、Ｔ１≧Ｔ＞Ｔ２の範囲にあるか判断する（Ｓ１１３）。燃焼温度が、Ｔ１≧Ｔ＞Ｔ２の範囲内であれば、高酸素ガスをｂ量だけ供給するように、弁７に対してその動作を指示する（Ｓ１１５）。高酸素ガスをｂ量だけ供給するように指示した後、制御部８はガスタービン２の運転が終了するまで、燃焼温度を継続して監視する。
さらに、制御部８は、Ｓ１１３において、燃焼温度Ｔが、Ｔ１≧Ｔ＞Ｔ２の範囲にないと判断した場合には、高酸素ガスをｃ量だけ供給するように、弁７に対してその動作を指示する（Ｓ１１７）。高酸素ガスをｃ量だけ供給するように指示した後、制御部８はガスタービン２の運転が終了するまで、燃焼温度を継続して監視する。

以上のように、制御部８は、ガスタービン２の回転数がシステム管理上の定められた回転数に達した後に、高酸素ガスの供給の可否を判断する。つまり、システム管理上の定められた回転数に達する前には、高酸素ガスが供給されることはない。したがって、ガスタービン発電システム１００は、運転再開時に燃焼器５に残存するガスの酸素濃度が高いことによる異常燃焼を起こすことがない。
また、制御部８は、燃焼温度Ｔに応じて高酸素ガスを供給する量を決定する。したがって、ガスタービン発電システム１００は、爆発限界内で最適な燃焼状態を作ることができる。このことにより未燃生ガスの排出が防げるとともにＮＯｘの生成を最小限度に抑えることができる。また、カロリー量が低くかつ安定しない燃料を用いた場合でも、最適な燃焼状態を作ることができる。

本実施の形態におけるガスタービン発電システムの構成例を示すブロック図である。 本実施の形態におけるガスタービン発電システムの、制御部の制御手順を示す図である。

符号の説明

１００…ガスタービン発電システム、１…発電機、２…ガスタービン、３…圧縮機、４…回転軸、５…燃焼器、６…酸素富化装置、７…弁、８…制御部、９…温度計

Claims (2)

1. 吸入される空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転されるガスタービンと、
   前記ガスタービンの回転により駆動される発電機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを保持するガス保持手段と、
   前記高酸素ガスを前記圧縮空気に混合する混合手段と、
   前記混合手段の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記ガスタービンの回転数に関する情報を取得し、かつ、取得した前記ガスタービンの回転数に関する情報に基づいて、前記ガスタービンがシステム管理上の定められた回転数に達したと判断した場合に、前記混合手段を制御して、前記高酸素ガスを前記圧縮空気に混合させ、
   さらに、前記制御部は、
   前記燃焼器における燃焼状態に関する情報を取得し、かつ、取得した前記燃焼状態に関する情報に基づいて前記混合手段を制御し、前記圧縮空気に混合する前記高酸素ガスの量を調整し、
   前記燃焼器は、
   前記圧縮空気及び前記高酸素ガスからなる混合ガスと前記燃料とを燃焼することを特徴とするガスタービン発電システム。
2. 前記高酸素ガスは、
   前記高酸素ガスよりも酸素濃度の低いガスを、酸素富化膜を通過させることにより得たものであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電システム。

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