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技術 ガスタービン用燃料供給設備およびそれを用いた供給方法

出願人 新日本石油化学株式会社
発明者 土師省司金子清隆高山仙夫舞弓奈央子
出願日 2000年6月27日 (19年8ヶ月経過) 出願番号 2000-192853
公開日 2002年1月9日 (18年2ヶ月経過) 公開番号 2002-004885
状態 特許登録済
技術分野 ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 廃ガスボイラ スーパーヒーター クッションタンク 燃料供給設備 ガスコンプレッサー 燃料ガス成分 ガスタービン用燃料 スチーム発生
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2002年1月9日)のものです。
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図面 (9)

課題

燃料ガス混焼し、供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンにおいて、燃料ガスの一部が供給停止となり発熱量が急速に変化しても、急激な出力の変化を起こし難いタービンガス供給設備およびその方法を提供することを目的とする。

解決手段

燃料ガスが通過するように設置され、一定の容積を有して燃料ガス成分の急速な変化の緩衝機能を有する装置を具備えた燃料供給設備を用いる。

概要

背景

燃料ガスガスタービンによって燃焼させる際、燃料ガスの成分が急激に変化することがある。それは、しばしば、複数のガス混焼する際に1部のガスの供給が増減あるいは停止することによって起こる。例えば2種類の燃料ガスを供給する場合、図1の様に、それぞれの燃料ガスを別々の配管によって、タービンに供給し、別々のバーナーで燃焼する(従来の技術A)か、図2の様に、それぞれの燃料ガスを1つの配管に合流させ、混合した後、1つのバーナーで燃焼する(従来の技術B)ものであった。

より詳しくは図1は、2種類のガスを別々に直接ガスタービン1に供給するものである。ガス1はコンプレッサー7、流量調整弁5bを経てガスタービン1に供給される。またガス2は流量調整弁5cを経てガスタービン1に供給され、それぞれ燃焼され発電機を動かした後、排気される従来の技術Aを示したものである。一方、図2は、2種類のガスを混合した後にガスタービン1に供給するものである。ガス1はコンプレッサー7、流量調整弁5aを経て混合部6に送られ、ここで他のガス2と混合後、調整弁4を経てガスタービン1に供給される従来の技術Bを示したものである。

しかし、混焼の最中に燃料ガスの一つが緊急停止した際に、他のガスを供給し続けて連続運転をすることを考えた場合、従来の技術Aにおいては、ガスの量が一瞬の内に下がってしまうので、供給を続ける他のガスで代替しようとしてもガスタービンの一時的な出力低下は避けられない。例えば、メタンガスLPGを混焼する際に、メタンガスが停止した場合、メタンガスのコンプレッサーの停止信号燃料遮断弁閉信号などの検知手段によってメタンが停止したことを検知し、LPGの供給量を増加する。しかし、メタンガスの供給が停止した後、急遽供給を開始しても、LPGの供給量の増加は遅れ、ガスタービンの出力は一時的に下がるという問題が生じる。

従来の技術Bについては、上記の様に、燃料ガスの1つが停止した場合に、他の燃料ガスを使用して連続運転をしようとすれば、供給され続けている燃料ガスが、不足した分を補いすぐに代替する。しかし、燃料ガスを混焼する際には、燃料ガスの発熱量が違うことが多いため、供給され続けている燃料ガスのみで代替するためには、その組成の変化によって燃料ガスの発熱量の急激な変化が生じ、ガスタービンの出力が大きく変動する。例えば、メタンとLPGの供給において、メタンの供給が停止した場合、メタンに比べてLPGは単位体積当たりの発熱量が大きいため、短時間の燃料ガスの置き換わりで、燃焼熱量が急激に上昇し、ガスタービンの燃焼温度も急激に上昇する懸念がある。特にこの変化は、瞬時に起こるため、ガスタービンのガバナーによる出力制御ではコントロールしきれない。

ガスタービンの出力が急速に低下すると発電量下がり電力を供給している他の工場設備に大きな影響を与える。また、ガスタービンの燃焼温度が急速に上昇すれば、タービンの破損の恐れが生じる。したがって、燃料ガスの成分が急激に変化した際にも、出力を大きく変動させずに、かつ危険を生じないようなガスタービン用のガス供給設備が求められている。

概要

燃料ガスを混焼し、供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンにおいて、燃料ガスの一部が供給停止となり発熱量が急速に変化しても、急激な出力の変化を起こし難いタービンのガス供給設備およびその方法を提供することを目的とする。

燃料ガスが通過するように設置され、一定の容積を有して燃料ガス成分の急速な変化の緩衝機能を有する装置を具備えた燃料供給設備を用いる。

目的

本発明は、燃料ガスを混焼するガスタービンにおいて、燃料ガスの発熱量が急激に変化しても、急激な出力の変化を起こし難いタービンのガス供給設備およびその供給方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

燃料ガス供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンに、燃料ガスを供給するガス供給設備において、燃料ガスが通過するように設置された一定の容積を有し、燃料ガスの成分の急激な変化に対する緩衝機能を有する装置を設けることによって、ガスタービンの急激な出力変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料供給設備

請求項2

上記の緩衝機能を有する装置が、入り口から導入された燃料ガスが、該装置の内部にすでに存在する燃料ガスと随時混合された後、出口から排出される構造を有し、導入される燃料ガスの成分が急激に変化した場合に、すでに存在する燃料ガスが、最終的な燃料ガスに徐々に置き換わり排出される、緩衝機能を有することを特徴とする請求項1記載のガスタービン用燃料供給設備。

請求項3

複数の燃料ガスが供給される際、燃料ガス成分の急激な変化が、1部の燃料ガスの停止によって生じることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給設備。

請求項4

上記緩衝機能を有する装置において、燃料ガスの成分の急激な変化の際に、該緩衝機能によって、タービンの出力に与える影響が、出力制御手段の許容範囲となることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給設備。

請求項5

上記緩衝機能を有する装置が、該装置に供給される燃料ガスの成分が変化し、最終的に供給を続ける燃料ガスに置き換わる際に、実質的に完全混合状態となるように設計された装置であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給設備。

請求項6

上記緩衝機能を有する装置が、供給される燃料ガスの装置内での平均滞留時間が15秒以上となるように設計された容積を持つ装置であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のガスタービン用燃料供給装置

請求項7

上記請求項1から6のいずれかに記載されたガスタービン用燃料供給設備を用いて成分の急激な変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料の供給方法

技術分野

0001

本発明は、ガスタービン燃料ガス供給設備に関する。詳しくは、燃料ガスタービンに供給する配管に特定の装置を設けることによって、供給される燃料ガスの成分が変化し、急激に燃料ガスの発熱量が変化しても、ガスタービンの出力に与える影響が少ない燃料ガス供給設備およびそれを用いる供給方法に関する。

背景技術

0002

燃料ガスをガスタービンによって燃焼させる際、燃料ガスの成分が急激に変化することがある。それは、しばしば、複数のガス混焼する際に1部のガスの供給が増減あるいは停止することによって起こる。例えば2種類の燃料ガスを供給する場合、図1の様に、それぞれの燃料ガスを別々の配管によって、タービンに供給し、別々のバーナーで燃焼する(従来の技術A)か、図2の様に、それぞれの燃料ガスを1つの配管に合流させ、混合した後、1つのバーナーで燃焼する(従来の技術B)ものであった。

0003

より詳しくは図1は、2種類のガスを別々に直接ガスタービン1に供給するものである。ガス1はコンプレッサー7、流量調整弁5bを経てガスタービン1に供給される。またガス2は流量調整弁5cを経てガスタービン1に供給され、それぞれ燃焼され発電機を動かした後、排気される従来の技術Aを示したものである。一方、図2は、2種類のガスを混合した後にガスタービン1に供給するものである。ガス1はコンプレッサー7、流量調整弁5aを経て混合部6に送られ、ここで他のガス2と混合後、調整弁4を経てガスタービン1に供給される従来の技術Bを示したものである。

0004

しかし、混焼の最中に燃料ガスの一つが緊急停止した際に、他のガスを供給し続けて連続運転をすることを考えた場合、従来の技術Aにおいては、ガスの量が一瞬の内に下がってしまうので、供給を続ける他のガスで代替しようとしてもガスタービンの一時的な出力低下は避けられない。例えば、メタンガスLPGを混焼する際に、メタンガスが停止した場合、メタンガスのコンプレッサーの停止信号燃料遮断弁閉信号などの検知手段によってメタンが停止したことを検知し、LPGの供給量を増加する。しかし、メタンガスの供給が停止した後、急遽供給を開始しても、LPGの供給量の増加は遅れ、ガスタービンの出力は一時的に下がるという問題が生じる。

0005

従来の技術Bについては、上記の様に、燃料ガスの1つが停止した場合に、他の燃料ガスを使用して連続運転をしようとすれば、供給され続けている燃料ガスが、不足した分を補いすぐに代替する。しかし、燃料ガスを混焼する際には、燃料ガスの発熱量が違うことが多いため、供給され続けている燃料ガスのみで代替するためには、その組成の変化によって燃料ガスの発熱量の急激な変化が生じ、ガスタービンの出力が大きく変動する。例えば、メタンとLPGの供給において、メタンの供給が停止した場合、メタンに比べてLPGは単位体積当たりの発熱量が大きいため、短時間の燃料ガスの置き換わりで、燃焼熱量が急激に上昇し、ガスタービンの燃焼温度も急激に上昇する懸念がある。特にこの変化は、瞬時に起こるため、ガスタービンのガバナーによる出力制御ではコントロールしきれない。

0006

ガスタービンの出力が急速に低下すると発電量下がり電力を供給している他の工場設備に大きな影響を与える。また、ガスタービンの燃焼温度が急速に上昇すれば、タービンの破損の恐れが生じる。したがって、燃料ガスの成分が急激に変化した際にも、出力を大きく変動させずに、かつ危険を生じないようなガスタービン用のガス供給設備が求められている。

発明が解決しようとする課題

0007

本発明は、燃料ガスを混焼するガスタービンにおいて、燃料ガスの発熱量が急激に変化しても、急激な出力の変化を起こし難いタービンのガス供給設備およびその供給方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

以上の問題点につき本発明者らが鋭意検討した結果、燃料ガスを供給する設備に特定の装置を設置することによって、上記問題点を解決し得ることを見出し本発明を完成した。すなわち、本発明は、「燃料ガスの供給量の調節による出力制御手段を有するガスタービンに、燃料ガスを供給するガス供給設備において、燃料ガスが通過するように設置された一定の容積を有し、燃料ガスの成分の急激な変化に対する緩衝機能を有する装置を設けることによって、ガスタービンの急激な出力変化を抑制することを特徴とするガスタービン用燃料供給設備およびそれを用いた供給方法。」に関するものである。

0009

以下、必要に応じ図3を使用して、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。図3は、図2で示した従来技術Bの場合について、本発明を示したものである。ガス1とガス2は混合部6で混合された後クッションタンク8、調整弁4を経てガスタービン1に供給される。混合されたガスの組成が急激に変化した場合、ガスタービン1に供給される際にはクッションタンク8の緩衝作用により組成の変化が緩やかとなり、そのため発電機の出力変化も緩やかとなる。

0010

本発明において、ガスタービン用燃料供給設備とは、ガスタービン用の燃料ガスを通過させ、ガスタービンに燃料ガスを供給する設備である。かかる設備には配管、気化器スーパーヒーターガス加圧装置を含む。ここで、ガスタービンとは、その付属物廃熱利用のためのボイラーを有するものも含む。

0011

本発明においてガスタービンは燃料ガスの供給量の調節による出力制御手段によって制御されている。ここで、該出力制御手段とは、タービンの回転数や出力が変動した場合、燃料ガスの流入量を調節してタービンの回転数または出力を一定に保つものである。その典型的なものは、ガバナーである。

0012

本発明において、燃料ガスとは、メタン、エタンプロパンブタンペンタン等の炭化水素化合物を例示することができ、これらの混合物であってもよい。また、常温、常圧で液体であっても、本発明のガス供給装置からガスタービンに供給される際に、ガス化できるものを含む。酸素窒素二酸化炭素ハロゲン等の不燃性気体を実質上含まないものである。

0013

本発明において、燃料ガスの発熱量が急激に変化する場合の典型的な例は、発熱量の低いガスと高いガスを混焼し、後に、発熱量の低いガスが緊急停止ないし遮断による停止をする場合である。ここで、発熱量が低いまたは高いとは、2種類のガスを比較して相対的に単位体積当たりの発熱量が低いガス、または高いガスをいう。具体的なガスの組み合わせとして、発熱量の低いメタンおよび、発熱量の高い炭素数3乃至4の炭化水素化合物の組み合わせがある。これらは、それぞれエチレン副生ガスとLPGとして供給されるものが例示される。

0014

本発明のガス供給設備においては、少なくとも2種類のガスを供給する場合に、その一部が供給を停止し、他のガスの供給を続けることによって、成分の変化が起こる場合には、圧力差によって供給を続ける燃料ガスがすぐに不足分を供給できる様にする。すなわち、例えば図3において、燃料ガスが合流し混合する混合部6においては、供給を停止した燃料ガスの分、混合部の圧力が低下し、その圧力差により供給を続ける燃料ガスが増加し供給される。

0015

本発明のガス供給設備において、ガスの緩衝機能を有する装置はガスタービンに供給される実質上すべてのガスが通過するように設置される。図3においては、ガス混合部6とガスタービン1との間に該装置としてクッションタンク8が設けられている。

0016

本発明において燃料ガスの成分変化に対する緩衝機能とは、燃料ガスを供給している最中に、供給される燃料ガスの組成が急激に変化した際、変化前の燃料ガスから変化後の燃料ガスへの置き換わりを緩やかにし、急激なガス組成の変化を起こさないように、排出されるガス組成の変化を時間をかけて行う機能である。典型的には、燃料ガスの通過に際して、入り口から導入された燃料ガスが、該装置の内部において該装置内部にすでに存在する燃料ガスと随時混合された後、出口から燃料ガスが排出される構造を有し、導入される燃料ガスの成分が急激に変化した場合、排出される燃料ガスが、最終的に変化前の燃料ガスに由来した成分がなくなり、変化後の燃料ガスに徐々に置き換わるものである。

0017

このために、緩衝機能を有する装置はある一定以上の容積を持たなくてはならない。かかる緩衝機能を有する装置の容積は、単なる空間ではなく、緩衝機能を奏するために、さらに、内部に残存する燃料ガスと供給を続ける燃料ガスが混合する機能を有する必要がある。とくに、完全混合状態となるように混合することが望ましい。

0018

この際、該装置の形状はいくつか考えられるが、典型的なものはタンク形式のものである。その容積は、タービンの規模、ガスの流量等に応じて変更する必要があり、燃料ガスが置き換わる際に、タービンの出力に与える影響が、出力制御手段による制御の許容範囲となるような体積であることが必要である。該装置の容積の一例をあげれば、一般的なタービンで1〜100m3、好ましくは、2〜50m3程度であって、実質的に完全混合ないしそれに近い場合には、燃料ガスの平均滞留時間が15秒以上、好ましくは、20秒〜100秒に設計することが望ましい。

0019

緩衝機能を有する装置の内部に残存する燃料ガスと供給を続ける燃料ガスを混合する機能を有する手段の典型例は、図4で示すようにクッションタンク81内部へガスを導入する際に先端を閉じたパイプの側面に複数の噴射口85を備えた噴射ノズル84を使用し、残存する燃料ガス中に供給を続ける燃料ガスを導入することにより混合する方法等が挙げられる。

0020

本発明のガス供給設備によって供給する燃料ガスは、ガスタービンで燃焼され発電に供される。

0021

本発明のガス供給設備は、上述のようなガスの成分の変化に対して、緩衝機能を有する装置を具備し、ガバナー等の出力制御手段が作動するのに十分な時間を確保できるため、通常の出力制御によるガスタービンの出力制御が可能となる。

0022

本発明のガスタービン用燃料の供給方法は上記のガス供給設備を使用した燃料の供給方法であり、本方法を用いると燃料ガス成分が急激な変化をした場合でも急激なガスタービンの出力の変動を少なくすることが可能となる。

0023

以下、実施例によって本発明を説明する。
〈実施例〉図3の様に、本発明のガス供給設備をガスタービンに設置し、燃料ガス1、2を供給した。発電機出力は35MW、緩衝装置としてクッションタンク8を設置した。図4はこのクッションタンクの縦断面図を記したものである。クッションタンク81は図で示したように先端をふさいだパイプに複数のガス噴出口85を開けた噴射ノズル84を内蔵し、供給ガスが内部のガスと実質上完全混合状態になるように設計されたタンクを設けた。ガス1としてエチレンプラントから副生するメタンを主成分とするガスを、ガス2として炭素数3〜4の炭化水素を主成分とするLPGを使用し、両者をあわせて、ガスタービンの入り口の温度約100℃、圧力約2MPaとなるように供給した。クッションタンクの大きさは、タンク内の燃料ガスの平均滞留時間が20秒以上となるように設計した。ガス1とガス2を、混合部6で均一に混合し、クッションタンク8(緩衝機能を有する装置)に供給する。クッションタンクを経た後、配管を通じてガスタービンへ供給する。ガスタービンの発電量が35MWで安定した状態で、ガス1を緊急遮断した。その時の発電出力の変化の様子を図5に示す。燃料ガスの発熱量の急激な変化を抑制できたため、ガバナーによる制御で充分にガスタービンの出力のコントロールができていることがわかる。

0024

〈比較例1、2〉比較例1として、図1に示した従来の技術Aおよび比較例2として図2に示した従来の技術Bの設備において、それぞれ実施例と同じように発電量が35MWで安定した状態で、ガス1を緊急遮断した。その時の発電出力の変化の様子のシュミレーションについて、それぞれにコンピュータ解析した結果を図6図7に記載する。比較例1、2ともにガス1の緊急遮断によりガスタービンの出力のコントロールができていないことがわかる。なお、参考として、比較例1、2と同様のシュミレーションを実施例で行ったものを図8として記載する。図8図5から、シュミレーションの結果と現実の結果がほぼ同じであることがわかる。

発明の効果

0025

本発明では、ガスタービン用燃料ガス供給装置において、燃料ガスが通過するように設置された一定の容積を有し、燃料ガスの成分の急激な変化の緩衝機能を有する装置を設けることによって、少なくとも2種類のガスが供給されている最中に、少なくとも1種類のガスが停止した際でも、ガスタービンの急激な出力の変化を起こすことなく、安定したガスタービンの運転を継続することが可能となる。よって、発電量、廃ガスボイラーでのスチーム発生量等も安定し、工場生産性等に大きく貢献できる。さらに、本発明は、複雑なガスの制御システムを必要としないため、多くのガスタービンに応用でき、その効果も大きい。

図面の簡単な説明

0026

図1従来の技術Aにおける供給設備の概要図である。
図2従来の技術Bにおける供給設備の概要図である。
図3本願発明における供給設備の一例である。
図4本願発明における緩衝機能を有する装置の一例であるクッションタンク縦断面図である。
図5実施例における発電出力変化を示すグラフである。
図6比較例1の発電出力変化のシュミレーション図である。
図7比較例2の発電出力変化のシュミレーション図である。
図8実施例の発電出力変化のシュミレーション図である。

--

0027

1ガスタービン
排ガス助燃ボイラー
3発電機
4調整弁
5a、5b、5c流量調整弁
6 混合部
ガスコンプレッサー
8クッションタンク
81 クッションタンク本体
82ガス入口
83 ガス出口
84噴射ノズル
85噴射口

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