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技術 ガスタービンの作動方法及びこの作動方法によるガスタービン

出願人 ゼネラルエレクトリックテクノロジーゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 ベンツ・エリベルトヴィルズム・マンフレート
出願日 2006年8月7日 (14年4ヶ月経過) 出願番号 2008-525566
公開日 2009年2月5日 (11年10ヶ月経過) 公開番号 2009-504967
状態 未査定
技術分野 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 深冷分離
主要キーワード 窒素供給路 損失圧力 高温箇所 一段燃焼 高圧レベル 空冷システム 膨張機関 酸素供給路
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図面 (3)

課題

効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラント統合させたガスタービン作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供すること。

解決手段

石炭ガス化によって得られる合成ガスによるガスタービン11の作動方法において、第1及び第2の燃焼器18,19並びに第1及び第2のタービン16,17を設けてガスタービン11を二段燃焼再燃方式として構成し、合成ガスを第1の燃焼器18内に直接導入して該第1の燃焼器18内で圧縮空気と合成ガスを混合して燃焼させる。さらに、この際発生する高温ガスを第1のタービン16で膨張させ、第2の燃焼器19内で第1のタービン16の出口からのガスを合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第2のタービン17で膨張させる。

概要

背景

従来から、二段燃焼再燃方式サイクル再熱サイクル)を有し、フレキシブルな作動と低い排ガス放出値を達成するガスタービンが知られている(例えば特許文献1、非特許文献1)。

GT26型ガスタービンの構造は、固有のものであるとともに、本発明が対象とするコンセプトを達成するのに優れている。その理由として、
1)中圧レベル圧縮空気分岐する構造を有している点
2)連続的な燃焼により燃焼の安定性が得られるとともに酸素過多を防止することが可能である点
3)圧縮機からの圧縮空気を分岐させるとともに冷却し、この冷却された空気を燃焼器及びタービンの冷却に使用する二次空冷システムを備えている点
が挙げられる。

しかして、従来の二段燃焼再燃方式のガスタービンの概要が図1に示されており、複合発電プラント10の一部を構成するガスタービン11は、互いに前後して配置された低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14、高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16、低圧タービン17並びにこれらに共通の軸15を含んで構成されている。なお、軸15により発電機12が駆動される。

ここで、このガスタービンの動作を説明すると、まず、空気が空気導入配管20を通って低圧圧縮機13へ吸入され、ここで中圧レベル(約20bar)まで圧縮される。次に、この中圧レベルの圧縮空気は、高圧圧縮機14によって更に圧縮され、高圧レベル(約32bar)まで圧縮される。この際、冷却用の空気が中圧レベル段階及び高圧レベル段階において分岐され、それぞれ第1の冷却器(OTC冷却器、OTC:Once Through Cooler)23及び第2の冷却器(OTC冷却器)24で冷却された後、それぞれ第1の冷却空気配管26及び第2の冷却空気配管25を通って高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17へ導入されてこれらの冷却に使用される。

そして、高圧圧縮機14の出口における冷却空気以外の圧縮空気は、高圧燃焼器18へ導入され、第1の燃料供給配管21から供給される燃料の燃焼により高温ガスとなる。この高温ガスは、後流側の高圧タービン16で膨張し、仕事をする。仕事をして圧力の下がったガスは、低圧タービン17に導入される前に、更に低圧燃焼器19において第2の燃料供給配管22から供給される燃料の燃焼によって再び高温ガスとなる。

ところで、第1及び第2の冷却空気配管26,25を通過した冷却空気は高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17の適当な箇所に噴射され、これら高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17が異常な高温とならないようになっている。また、低圧タービン17から排出されたガスは排熱回収ボイラHRSG、HRSG:Heat Recovery Steam Generator)27へ導入され、ここで蒸気が発生し、この蒸気は、復水サイクル内における蒸気タービン29で仕事をする。低圧タービン17から排出された上記ガスは、排熱回収ボイラ27を通過した後、最終的には排気路28から外部へ放出される。なお、第1及び第2の冷却器23,24は復水サイクルの一部を構成しており、これら第1及び第2の冷却器23,24の出口では、過熱蒸気が生成されるようになっている。

また、高圧燃焼器18及び低圧燃焼器19での互いに独立した燃焼によって、ガスタービンの作動が非常にフレキシブルとなる。すなわち、燃焼器内の温度をその限界温度内における最大効率を得ることが可能である。そして、連続的な二段燃焼再燃方式によれば、有害ガスの放出の低減を図ることが可能である(所定の条件においては、再燃時にNOXを消費させることも可能である。)。

なお、石炭ガス化して得られる合成ガスの形でガスタービンに必要な燃料を供給するために、石炭ガス化炉統合され、かつ、一段燃焼方式として構成されたガスタービンを備えた複合発電プラントが従来公知であり(例えば特許文献2,3)、このような複合発電プラントは石炭ガス化複合発電プラントIGCC、IGCC:Integrated Gasification Combined Cycle)と呼ばれている。
米国特許第5,577,378号明細書
米国特許第4,785,622号明細書
米国特許第6,513,317号明細書
"State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, TurbinentypGT26

概要

効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供すること。石炭ガス化によって得られる合成ガスによるガスタービン11の作動方法において、第1及び第2の燃焼器18,19並びに第1及び第2のタービン16,17を設けてガスタービン11を二段燃焼再燃方式として構成し、合成ガスを第1の燃焼器18内に直接導入して該第1の燃焼器18内で圧縮空気と合成ガスを混合して燃焼させる。さらに、この際発生する高温ガスを第1のタービン16で膨張させ、第2の燃焼器19内で第1のタービン16の出口からのガスを合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第2のタービン17で膨張させる。

目的

本発明は、石炭ガス化複合発電プラントにおいて二段燃焼再燃方式のガスタービンを使用することで、このガスタービンの利点を石炭ガス化複合発電に有効利用しようとするものであり、その目的とするところは、効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

ガスタービン(11)によって空気が吸入及び圧縮され、石炭から生成された合成ガス燃焼のためにこの圧縮空気が第1の燃焼器(18,19)に供給され、この燃焼によって発生する高温ガスが第1のタービン(16,17)において膨張して仕事をする、特に複合発電プラント(30)用の前記ガスタービン(11)の作動方法であって、前記圧縮空気の一部が酸素窒素に分離されるとともに、この分離された酸素が前記合成ガスの生成に使用され、かつ、前記圧縮空気の他の一部は、前記ガスタービン(11)における高温ガスにさらされる箇所の冷却に使用される前記ガスタービンの作動方法において、第2の燃焼器及び第2のタービンを更に設けて前記ガスタービン(11)を二段燃焼再燃方式として構成し、前記第1の燃焼器(18)内で前記圧縮空気と前記合成ガスを混合してこれを40〜65barの圧力下で燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを前記第1のタービン(16)で膨張させ、前記第2の燃焼器(19)内で前記第1のタービン(16)の出口からのガスを前記合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを前記第2のタービン(17)で膨張させ、前記合成ガスを直接前記第1の燃焼器(18)内に供給することを特徴とするガスタービンの作動方法。

請求項2

空気の分離を40barより大きな圧力下で行うことを特徴とする請求項1記載のガスタービンの作動方法。

請求項3

前記合成ガスの生成を40barより大きな圧力下で行うことを特徴とする請求項1記載のガスタービンの作動方法。

請求項4

前記合成ガスを、40barよりも大きな圧力下で除塵装置を通過させることを特徴とする請求項1記載のガスタービンの作動方法。

請求項5

40barよりも大きな圧力下で前記合成ガスから二酸化炭素(CO2)を除去することを特徴とする請求項1記載のガスタービンの作動方法。

請求項6

二段燃焼再燃方式として構成され、かつ、空気を圧縮する圧縮機(13,14)と、第1及び第2の燃焼器(18,19)と、第1及び第2のタービン(16,17)とを備えて成る請求項1記載の作動方法によるガスタービン(11)であって、前記第1の燃焼器(18)内で前記圧縮空気と前記合成ガスが混合されてこれが40〜65barの圧力下で燃焼させられるともに、この際発生する高温ガスが前記第1のタービン(16)で膨張し、前記第2の燃焼器(19)内で前記第1のタービン(16)の出口からのガスが前記合成ガスと混合されてこれが燃焼させられるとともに、この際発生する高温ガスが前記第2のタービン(17)で膨張する前記ガスタービンにおいて、出口側を前記第1及び第2の燃焼器(18,19)に接続させた石炭ガス化部(32〜39)を設けるとともに、これら第1及び第2の燃焼器(18,19)に前記石炭ガス化部で生成された合成ガスを燃料として供給し、前記石炭ガス化部(32〜39)の出口を前記第1の燃焼器(18)に直結させたことを特徴とするガスタービン。

請求項7

前記石炭ガス化部を、40barより大きな圧力下で動作する空気分離装置(32)を含んで構成したことを特徴とする請求項6記載のガスタービン。

請求項8

前記石炭ガス化部を、40barより大きな圧力下で動作する石炭ガス化炉(34)を含んで構成したことを特徴とする請求項6記載のガスタービン。

請求項9

前記石炭ガス化部を、40barより大きな圧力下で動作する除塵装置(36)を含んで構成したことを特徴とする請求項6記載のガスタービン。

請求項10

前記石炭ガス化部を、40barより大きな圧力下で動作する二酸化炭素分離装置(37)を含んで構成したことを特徴とする請求項6記載のガスタービン。

技術分野

0001

本発明は、発電プラント技術の分野に属し、請求項1の上位概念に係る(内燃型)ガスタービン作動方法及び請求項6の上位概念に係るガスタービンに関するものである。

背景技術

0002

従来から、二段燃焼再燃方式サイクル再熱サイクル)を有し、フレキシブルな作動と低い排ガス放出値を達成するガスタービンが知られている(例えば特許文献1、非特許文献1)。

0003

GT26型ガスタービンの構造は、固有のものであるとともに、本発明が対象とするコンセプトを達成するのに優れている。その理由として、
1)中圧レベル圧縮空気分岐する構造を有している点
2)連続的な燃焼により燃焼の安定性が得られるとともに酸素過多を防止することが可能である点
3)圧縮機からの圧縮空気を分岐させるとともに冷却し、この冷却された空気を燃焼器及びタービンの冷却に使用する二次空冷システムを備えている点
が挙げられる。

0004

しかして、従来の二段燃焼再燃方式のガスタービンの概要図1に示されており、複合発電プラント10の一部を構成するガスタービン11は、互いに前後して配置された低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14、高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16、低圧タービン17並びにこれらに共通の軸15を含んで構成されている。なお、軸15により発電機12が駆動される。

0005

ここで、このガスタービンの動作を説明すると、まず、空気が空気導入配管20を通って低圧圧縮機13へ吸入され、ここで中圧レベル(約20bar)まで圧縮される。次に、この中圧レベルの圧縮空気は、高圧圧縮機14によって更に圧縮され、高圧レベル(約32bar)まで圧縮される。この際、冷却用の空気が中圧レベル段階及び高圧レベル段階において分岐され、それぞれ第1の冷却器(OTC冷却器、OTC:Once Through Cooler)23及び第2の冷却器(OTC冷却器)24で冷却された後、それぞれ第1の冷却空気配管26及び第2の冷却空気配管25を通って高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17へ導入されてこれらの冷却に使用される。

0006

そして、高圧圧縮機14の出口における冷却空気以外の圧縮空気は、高圧燃焼器18へ導入され、第1の燃料供給配管21から供給される燃料の燃焼により高温ガスとなる。この高温ガスは、後流側の高圧タービン16で膨張し、仕事をする。仕事をして圧力の下がったガスは、低圧タービン17に導入される前に、更に低圧燃焼器19において第2の燃料供給配管22から供給される燃料の燃焼によって再び高温ガスとなる。

0007

ところで、第1及び第2の冷却空気配管26,25を通過した冷却空気は高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17の適当な箇所に噴射され、これら高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17が異常な高温とならないようになっている。また、低圧タービン17から排出されたガスは排熱回収ボイラHRSG、HRSG:Heat Recovery Steam Generator)27へ導入され、ここで蒸気が発生し、この蒸気は、復水サイクル内における蒸気タービン29で仕事をする。低圧タービン17から排出された上記ガスは、排熱回収ボイラ27を通過した後、最終的には排気路28から外部へ放出される。なお、第1及び第2の冷却器23,24は復水サイクルの一部を構成しており、これら第1及び第2の冷却器23,24の出口では、過熱蒸気が生成されるようになっている。

0008

また、高圧燃焼器18及び低圧燃焼器19での互いに独立した燃焼によって、ガスタービンの作動が非常にフレキシブルとなる。すなわち、燃焼器内の温度をその限界温度内における最大効率を得ることが可能である。そして、連続的な二段燃焼再燃方式によれば、有害ガスの放出の低減を図ることが可能である(所定の条件においては、再燃時にNOXを消費させることも可能である。)。

0009

なお、石炭ガス化して得られる合成ガスの形でガスタービンに必要な燃料を供給するために、石炭ガス化炉統合され、かつ、一段燃焼方式として構成されたガスタービンを備えた複合発電プラントが従来公知であり(例えば特許文献2,3)、このような複合発電プラントは石炭ガス化複合発電プラントIGCC、IGCC:Integrated Gasification Combined Cycle)と呼ばれている。
米国特許第5,577,378号明細書
米国特許第4,785,622号明細書
米国特許第6,513,317号明細書
"State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, TurbinentypGT26

発明が解決しようとする課題

0010

本発明は、石炭ガス化複合発電プラントにおいて二段燃焼再燃方式のガスタービンを使用することで、このガスタービンの利点を石炭ガス化複合発電に有効利用しようとするものであり、その目的とするところは、効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供することにある。

課題を解決するための手段

0011

上記目的は、請求項1及び請求項6記載の発明によって達成される。すなわち、本発明は、石炭ガス化によって得られる合成ガスによるガスタービンの作動方法において、第1及び第2の燃焼器並びに第1及び第2のタービンを設けてガスタービンを二段燃焼再燃方式として構成し、第1の燃焼器内で圧縮空気と合成ガスを混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第1のタービンで膨張させ、第2の燃焼器内で第1のタービンの出口からのガスを合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第2のタービンで膨張させ、合成ガスを直接第1の燃焼器内に供給することを特徴としている。

0012

また、本発明によるガスタービンの作動方法は、更に空気の分離を40barより大きな圧力下で行うか、合成ガスの生成を40barより大きな圧力下で行うか、合成ガスを40barよりも大きな圧力下で除塵装置を通過させるか、又は40barよりも大きな圧力下で合成ガスから二酸化炭素(CO2)を除去することを特徴としている。

0013

さらに、本発明によるガスタービンは、石炭ガス化部を40barより大きな圧力下で動作する空気分離装置を含んで構成するか、石炭ガス化部を40barより大きな圧力下で動作する石炭ガス化炉を含んで構成するか、石炭ガス化部を40barより大きな圧力下で動作する除塵装置を含んで構成するか、又は石炭ガス化部を40barより大きな圧力下で動作する二酸化炭素分離装置を含んで構成したことを特徴としている。

発明の効果

0014

効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供することが可能である。

発明を実施するための最良の形態

0015

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

0016

図1にはGT26型に代表されるような二段燃焼再燃方式のガスタービンが図示されており、空気は、低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14それぞれにおいて中圧(11〜20bar)と高圧(>30bar)まで圧縮される。また、高圧燃焼器18には、低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14による圧縮空気の圧力に管路内と燃焼器内における損失圧力を加えた圧力で合成ガスが供給される。

0017

ところで、唯一の燃焼器と1つのガスタービンを備えた従来の石炭ガス化複合発電プラントにおいては、石炭ガス化炉での圧力が約30barであった。そのため、このような石炭ガス化複合発電プラントにおいて1つの燃焼器に代えて二段燃焼再燃方式とする場合には、石炭ガス化炉からの合成ガス(約30bar)を少なくとも1つの圧縮機によって45barより大きな圧力レベルに圧縮する必要がある。

0018

一方、1つの燃焼器を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて石炭ガス化炉内の圧力を例えば約60barとすると、この圧力を燃焼器内における圧力レベルまで減圧するために膨張機関を設ける必要がある。

0019

そこで、本発明の中心理念は、二段燃焼再燃方式のガスタービンと組み合わされた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、空気分離装置32、石炭ガス化炉34、除塵装置36及び二酸化炭素(CO2)分離装置37を含んで構成される石炭ガス化部を40〜65bar程度の高圧燃焼器と同等の圧力レベルとすることで、1つの燃焼器を備えたものの圧力レベルを相当超えた圧力レベルでこの石炭ガス化部を作動させることにある。これにより、合成ガスを圧縮する圧縮機を不要とすることが可能となる。

0020

図2には本実施形態による二段燃焼再燃方式のガスタービンと組み合わされた石炭ガス化複合発電プラントの概略が示されており、複合発電プラント30は、低圧圧縮機13、高圧圧縮機14、高圧燃焼器18、高圧タービン16、低圧燃焼器19及び低圧タービン17から成るガスタービン11を含んで構成されている。低圧圧縮機13、高圧圧縮機14、高圧タービン16及び低圧タービン17は軸15上に設けられており、発電機12がこの軸15によって駆動される。

0021

また、高圧燃焼器18及び低圧燃焼器19には、石炭供給配管33から供給される石炭をガス化した合成ガスが燃料として合成ガス供給配管31から供給される。ここで、石炭ガス化炉34、合成ガス冷却器35、除塵装置36及び二酸化炭素分離装置37は直列に接続されており、二酸化炭素分離装置37には更に二酸化炭素(CO2)排出路38が設けられている。

0022

ところで、空気分離装置32には低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14によって圧縮された空気が導入され、ここで酸素(O2)と窒素(N2)に分離される。そして、酸素は酸素供給路32aを通って石炭ガス化炉34へ供給され、窒素は窒素供給路32bを通って低圧燃焼器19へ供給される。

0023

また、高圧燃焼器18、低圧燃焼器19、高圧タービン16及び低圧タービン17における高温ガスにされされる箇所を冷却するために、低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14からの空気を第1及び第2の冷却器(OTC冷却器)23,24を通過させて冷却し、この冷却空気を第1及び第2の冷却空気配管26,25を介して上記高温箇所に導入するようになっている。

0024

しかして、低圧タービン19の出口側には排熱回収ボイラ27が配置されており、該排熱回収ボイラ27は、これに接続された蒸気タービン29と共に復水サイクルの一部を構成している。なお、排熱回収ボイラ27からの排気は、排気路28を通って外部に放出される。

0025

空気分離装置32、石炭ガス化炉34、除塵装置36及び二酸化炭素分離装置37を含んで構成され、かつ、合成ガスを生成する上記石炭ガス化部は、合成ガスが高圧燃焼器18に直接供給されるよう構成されている。この際、空気分離装置32、石炭ガス化炉34、除塵装置36及び二酸化炭素分離装置37のいずれかが40barよりも大きな圧力で動作するよう設定することが考えられる。また、この石炭ガス化部を通過するガスを必要な圧力レベルまで更に昇圧できるよう、適当な箇所に第3の圧縮機を設けることも考えられる。

図面の簡単な説明

0026

従来技術による二段燃焼再燃方式のガスタービンを備えた複合発電プラントの概要を示す図である。
本発明の実施形態に係る二段燃焼再燃方式のガスタービンを備えた石炭ガス化複合発電プラントの概要を示す図である。

符号の説明

0027

10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
16高圧タービン
17低圧タービン
18高圧燃焼器
19低圧燃焼器
20空気導入配管
21 第1の燃料供給配管
22 第2の燃料供給配管
23 第1の冷却器(OTC冷却器)
24 第2の冷却器(OTC冷却器)
25 第2の冷却空気配管
26 第1の冷却空気配管
27排熱回収ボイラ(HRSG)
28排気路
29蒸気タービン
30 複合発電プラント
31合成ガス供給配管
32空気分離装置
32a酸素(O2)供給路
32b窒素(N2)供給路
33石炭供給配管
34石炭ガス化炉
35合成ガス冷却器
36除塵装置
37二酸化炭素(CO2)分離装置
38 二酸化炭素(CO2)排出路
39 第3の圧縮機

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