JP5319018B2 - 混焼システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、とりわけ、電気エネルギを発生するための燃焼タービンの分野に関するものであり、より具体的には、燃焼システムを運転するための方法に関するものである。

将来のエネルギ需要、利用可能な燃料の不足、及び、環境規制のために、発電所メーカは、安全で、効率が良く、クリーンな発電方法の解決策を見つけ出すように迫られる。燃料の不足は、主として石油に当てはまり、それほどではないにせよ天然ガスにも当てはまる。石炭を大量に利用できれば、普通は、蒸気タービン発電所を利用した石炭からの発電が行われる。石炭から発電するよりクリーンでより効率の良い選択肢は、石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）において石炭を利用することである。ＩＧＣＣの場合、まず石炭を気化して、主としてＣＯ（一酸化炭素）とＨ₂（水素）からなる合成ガスを生じさせる。

合成ガスは、一般に、発熱量が従来の天然ガス燃料に比べて大幅に低い。その燃焼前に、合成ガスからＣＯ分を除去することにより、ＣＯ₂（二酸化炭素）を捕獲するための有効な手段を得ることにもなる。予燃焼によるＣＯ₂捕獲というＩＧＣＣの構想は、将来において電気を発生し、ＣＯ₂の放出を回避するのに最も費用有効性の高い方法の１つである。ＣＯ₂を捕獲するＩＧＣＣ発電所の経済的将来性は、天然ガスの価格が予測より速く上昇するか、あるいは、炭素税による規制が強まるとさらに高まる可能性がある。

発熱量が低く、水素含有量が多いため、合成ガス燃料の燃焼には、多種多様な合成ガス燃料を処理することが可能であり、ほとんど排出ガスを発生せず、燃料の高反応性に対処することが可能な改造されたあるいは完全に新しい燃焼システムの開発が必要になる。

合成ガス燃料の組成は、用いられるガス化装置のタイプ、及び、ＣＯが燃料から分離されるか否かによって決まる。合成ガスに加えて、燃焼システムは、補助及び起動のためもう１つの従来の燃料に依存する場合もある。可能性のある理想的な方法は、適正な燃焼方法を実施して、効率を高め、ガス化装置による効率損失を補償することにより、１つの燃焼システムでさまざまなタイプのすべての燃料を安定したやり方で燃焼させることである。

上記に鑑みて、本書の実施形態には、第１の段階と第２の段階を含む混焼システムを運転する方法が含まれる。第１の段階には、燃焼器内筒に点火して、第１の導管を介して燃焼器内筒に供給される第１のタイプの燃料に点火するステップと、第１のタイプの燃料に加えて、第１の導管に蒸気を供給し、点火後、第２の導管に蒸気を供給するステップが含まれており、第２の段階には、第１のタイプの燃料の点火後、第２の導管を介して燃焼器内筒に第２のタイプの燃料を供給し、それと同時に第１のタイプの燃料の供給を停止するステップが含まれている。

本発明については、添付の図面に示された例証となる実施形態に関連してさらに後述することにする。

本発明の実施形態の１つに基づく混焼システムの縦断面図である。 第１及び第２の導管のノズル領域における燃料噴射口を示す図である。 燃料噴射口と共に第１及び第２の導管を示す側面図である。 本発明の実施形態の１つに基づく混焼システムの第１の段階を描いたグラフである。 本発明の実施形態の１つに基づく混焼システムの第１の段階と共に第２の段階を示したグラフである。

概して言えば、燃焼タービンには、３つのセクション、すなわち、圧縮機セクション、標準的な燃焼器内筒を備えた燃焼器セクション、及び、タービンセクションが含まれている。圧縮機セクションに吸い込まれた空気が圧縮される。圧縮された空気は、圧縮機セクションから流出して、燃焼器セクションに通され、燃料の燃焼後、空気の温度がさらに上昇する。高温圧縮ガスが、燃焼器セクションからタービンセクションに流入し、膨張ガスのエネルギが、発電機を駆動するタービンロータの回転運動に変換される。

合成ガスの発熱量が低く、天然ガスのような補助燃料でバーナを作動させる必要もあるため、バーナの設計にかなりの影響がある。バーナは、燃料の大質量流量に対処することができるのが望ましく、従って、燃料流路は大容積を備える必要がある。容積が小さすぎると、燃料の圧力が大幅に降下することになる。燃料の大質量流量がかかわるため、大幅な圧力降下は、エンジンの総合効率に対し一般的な天然ガス燃焼エンジンに比べてはるかに大きい影響を及ぼすことになる。

図１には、本発明の実施形態の１つによる混焼システム１０の断面図が例示されている。混焼システム１０には、燃焼器内筒１２が含まれている。燃焼器内筒１２の壁１６は、尾筒において互いに重なり合うように構成された複数の円筒形領域１４から形成され、燃焼器内筒の上流端２０から下流端２２まで延びている。燃焼器内筒の上流端２０は、燃料導管が一般に燃焼させるために燃料を供給する領域に近く、下流端は、燃焼後のガスが燃焼器内筒からタービンセクションに流出する領域である。燃焼システム１０は、例えば天然ガスと合成ガスといった少なくとも２タイプの燃料を燃焼させるように設計されている。利用可能な燃料タイプは、天然ガスと合成ガスに制限されるわけではなく、従って、燃焼システム１０は他の燃料を用いて、燃焼させることも可能である。

図１には、さらに、例えば天然ガスのような第１のタイプの燃料を直接燃焼器内筒１２に供給するようになっている第１の導管２４と、例えば合成ガスのような第２のタイプの燃料を直接燃焼器内筒１２に供給するようになっている第２の導管２６が示されている。第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の少なくとも一方を１つまたは複数の開口１８を介して燃焼器内筒１２内に噴射するようになっている少なくとも１つの第３の導管２５も存在する。その設計及び要件に基づいて燃焼器内筒に各タイプの燃料を供給するため、２つ以上の導管を設けることが可能である。例えば、複数の開口１８を介して燃焼器内筒１２に燃料を供給するため、複数の第３の導管２５を設けることが可能である。また、燃焼器内筒１２の動作モードに基づいて、導管のそれぞれが異なる燃料を受け持つようになっている。これらの導管は、同じ時点において複数の燃料に対処することさえ可能である。第２の導管２６は、燃料を有効に供給するため、第１の導管２４を包囲するように配置されるか、同軸をなすように構成される。第１の導管２４は、より直径の大きい第２の導管２６と同軸をなすように、その内側に配置される。一定の火力入力を達成するには燃料の大質量流量が必要になるため、第２の導管２６の直径は第１の導管２４よりも大きいので、前記第２の導管２６によって、低発熱量燃料をより大量に扱うことが可能である。

第３の導管２５は、円筒形領域１４の少なくとも１つと関連した開口１８の少なくとも１つを貫流する第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の少なくとも一方を圧縮機の排気中に噴射するようになっている。第３の導管２５には、開口１８の中心線に対して０〜９０°の角度に向けられた１〜５つの噴射口を持つ燃料噴射ノズル２７がその端部に設けられている。検討下にある第１の導管２４及び第２の導管２６は、燃料噴射器の働きをする導管のノズル領域２８において同心円をなす複数の丸穴から構成されている。ノズル２８は、燃焼器内筒１２内にそれぞれの燃料を直接噴射するのに役立ち、燃焼器内筒１２の上流端２０に配置されている。

図２には、ノズル領域２８におけるこれら２列の同心穴が明示されている。列の各円は、１つの導管に付随している。内側の穴列２１は第１の導管２４に対応し、外側の穴列２３は第２の導管２６に対応する。各導管の噴射器数は例えば８〜１８の穴と変動する可能性があるが、この数に限定されるわけではない。図２には、両方の導管のために１４の噴射器を備える望ましい実施形態が示されている。これらの穴は、互いに時計の目盛のように、すなわち線上（inline）に配置することが可能である。

もう１つの望ましい実施形態の場合、第１の導管２４のノズル領域２８の穴には、燃焼器内筒１２の燃焼領域内に燃料流を噴射するため、ノズルの中心から少なくとも２つの異なる半径方向距離に配置された複数の穴が含まれる。このノズル設計によって、より大量の燃料流がノズルの中心に向かうのが助長され、その結果、費用効率よく、単純な方法でノズルが冷却されることになる。最も重要なのは、穴の配列によって、ノズルの空気力学的性能が維持されることである。

図３には、燃料噴射口と共に第１及び第２の導管の側面図が示されている。第１の導管２４及び第２の導管２６のノズル領域２８における燃料噴射口３２は、バーナ軸３４に対して０〜４５°の角度Ｘをなすように半径方向に配置することが可能である。

図１に戻ると、燃焼器内筒１２の周壁１６には複数の開口１８が含まれている。燃焼器内筒１２の上流端２０に近い円筒形領域１４ａ及び１４ｂの少なくとも２つには、さらに、それぞれの円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口１８が含まれている。この複数の開口１８によって、圧縮機段からの圧縮機排気を燃焼器内筒の燃焼領域に向かって流すことが可能になる。同時に、燃焼器内筒１０の下流端２２に近い円筒形領域の少なくとも１つには、圧縮機排気を燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって流すことができるように、円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口１８を含むことも可能である。燃焼器システム１０には、さらに、燃焼器内筒１２と、第１、第２、及び、第３の導管に結合されたカバープレート２９が含まれている。これにより、燃焼器内筒及び導管をケーシングに取り付けることが可能になる。混焼システム１０には、さらに、燃焼器内筒１２を包囲するように配置され、燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって圧縮機排気を流すことができるようになっている複数の穴４８を持つ円錐形セクション４６と円筒形セクション４７を具備する流量調整器４５が含まれている。流量調整器４５は、冷却に必要な圧力降下を実現し、燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって均一な空気流を供給するために用いられる。円筒形セクション４７と円錐形セクション４６の両方の穴４８は、空気の流路として用いられる。図１の混焼システム１には、さらに、燃焼器内筒１２の下流端２２に、円筒形領域１４の少なくとも１つに関連した複数の開口１８とアライメントのとれた複数スロット３７を備える吹出し口３５が含まれている。この吹出し口３５は、高温燃焼ガスとバネクリップ流路３９から流れ出る冷気流との混合を改善するように意図されている。これらの流れの混合が改善されると、ＣＯの排出が改善される。スクープ１８とアライメントのとれた吹出し口のスロット３７によって、吹出し口３５の過熱が阻止される。

次に、混焼システム１０の運転方法について述べることにする。運転は、２つの主たる段階、すなわち第１段階と第２段階に分けることが可能である。図４には、本発明の実施形態の１つに基づく混焼システムの運転の第１の段階が描かれている。Ｘ軸は、燃焼システムの負荷をパーセンテージで表わしているが、０はアイドリング段階に相当し、１００は全負荷に相当する。Ｙ軸は、導管のノズルを通る燃料流量を表わしている。

第１の段階では、第１の導管２４を介して燃焼器内筒１２に供給される例えば天然ガスのような第１のタイプの燃料に点火するため、点火コイルによって燃焼器内筒１２に点火する。ライン４１は、第１の導管２４を介して供給される第１のタイプの燃料の流量を表わしている。天然ガスは、この第１段階の起動中に第１のタイプの燃料として用いることが可能である。この時点で、第２の導管２６のパージが必要になる可能性はない。

この方法には、さらに、第１の段階中に、燃焼器内筒１２内における圧力差に関して燃焼システム１０を安定化させるため、例えば不活性ガス、窒素、蒸気、または、シールエアといった媒質を第２の導管２６に供給するステップも含まれる。典型的な産業用構成の場合、燃焼システムには、複数の燃焼器内筒が含まれており、運転中、これらの燃焼器内筒間で起こり得る圧力差が生じる可能性がある。媒質の供給は、このタイプの構成に起因する燃焼器内筒におけるこの圧力差にも対応する。グラフ４０のライン４２は媒質の供給量を表わす。この方法には、さらに、第１のタイプの燃料に加えて、第１の導管２４に蒸気を供給するステップと、点火後、第２の導管２６に蒸気を供給するステップが含まれる。ライン４３は、第１の導管２４を通る蒸気の供給量を表わし、ライン４４は、第２の導管２６を通る蒸気の供給量を表わしている。従って、第１の導管２４において、蒸気と第１のタイプの燃料が混合する。蒸気は、第１の導管２４に供給される蒸気より早い時点において第２の導管２６に供給される。例えばシールガスといった媒質は、燃焼システム１０に生じる圧力差を利用して、このシステムから得ることが可能である。その蒸気の約２５％が第１の導管２４を介して噴射され、残りは第２の導管２６を介して噴射される。第１のタイプの燃料を利用する場合、全蒸気流量噴射率はベース負荷で最大値にまで増大する。第１の導管２４と第２の導管２６の蒸気比は、１０／９０％〜４０／６０％の範囲で変動する可能性がある。グラフ４０のライン４５は、両方の導管における全蒸気流量の組合せを表わしている。一般に、第１の導管及び第２の導管への蒸気の供給は、燃焼システムにその全作業能力の２５％〜４０％の負荷がかかると開始される。これは、運転条件に基づいて、あるいは、設計または要件に基づいて変化する場合もある。そうしているうちに、第１の段階において第１の導管２４及び第２の導管２６における蒸気供給が安定すると、第２の導管における媒質の供給が停止される。

図５には、本発明の実施形態の１つに基づく混焼システムの運転の第１の段階と共に、第２の段階を表わしたグラフ５０が示されている。第２の段階において、例えば合成ガスのような第２のタイプの燃料が、第２の導管２６を介して燃焼器内筒１２に供給され、それと同時に第１の燃料の供給が停止される。設計において、予燃焼によるＣＯ₂捕獲が用いられている場合、供給される第２のタイプの燃料はＨ₂燃料とすることが可能である。グラフ５０のライン５１は、第２の導管２６を介した第２のタイプの燃料の供給量を示している。第２の導管２６を介した燃焼器内筒１２への第２のタイプの燃料の供給は、一般に、燃焼システムにその全作業能力の３０％〜５０％の負荷がかかると開始される。

この方法には、さらに、第２の段階において、第１の導管２４を介して第２のタイプの燃料の一部を燃焼器内筒１２に供給するステップが含まれている。グラフ５０のライン５２は、第１の導管２４を介した第２のタイプの燃料の一部の供給量を表わしている。これによって、合成ガスの流量範囲が増し、燃料供給圧要求値が低下して、第２のタイプの燃料の一部は、第１の導管２４のためのパージ媒質の働きもする。第１の導管が第２のタイプの燃料の一部供給に用いられない場合、例えば、蒸気、窒素、または、空気のような媒質をパージ媒質として用いることが可能である。４０％〜７０％の負荷で、このパージが行われる。より低い負荷で、第２の導管２６を介して第２のタイプの燃料の１００％を供給することが可能である。負荷が７０％を超えると、第１の導管２４は、一般に第２のタイプの燃料の供給に用いられる。第２の段階において第１の導管を介して供給される第２のタイプの燃料の一部は、第２の段階において燃焼システムの運転中に供給される第２のタイプの燃料の全質量流量の０％〜２０％であるが、１％〜２０％が望ましい。蒸気は、第２の段階における第１の導管２４を介した第２のタイプの燃料の一部の供給開始まで、第１の段階から第１の導管２４に連続して供給される。この場合、蒸気はパージ媒質の働きもする。

必要があれば、有効でより完全な燃焼を可能にするため、第３の導管２５を用いて、第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の任意の一方を開口１８に送り込むことにより、前記燃料の供給を行うことも可能である。これは、さらに、ＮＯｘ排出の減少にも役立つ。第２のタイプの燃料である合成ガスは、ＮＯｘ制御のため希釈される。希釈量は負荷範囲にわたって変動する。

第１の段階の終了及び第２の段階の開始によって、第１のタイプの燃料が停止され、燃焼システム１０に第２のタイプの燃料が供給されるという点に留意されたい。燃焼システム１０内において燃料移行が生じる。これを行うため、第２の導管２６を通る第２のタイプの燃料である合成ガスの量が最小値から引き上げられて、徐々に増やされ、その一方で第１の導管２４を通る第１のタイプの燃料である天然ガスの供給量が減らされる。第１の導管２４内の圧力降下を一定に保ち、ＮＯｘ目標を維持するため、蒸気が第１の導管２４に供給される。第２の導管２６における燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）が必要とされるＬＨＶより高い場合には、合成ガスが希釈される。天然ガス流量が最小値に達すると、天然ガス流が停止され、蒸気はパージ媒質として引き続き用いられるか、さもなければＮ２でパージされる。負荷レベルが７０％を超えると、合成ガスの２０％までが第１の導管２４に送られ、第１の導管内のパージ媒質を停止することが可能になる。

予燃焼によるＣＯ₂捕獲を用いた設計の場合、ＣＯ₂除去プロセスを開始すると、合成ガス運転が自動的にＨ₂運転に切り替わる。ＣＯ₂除去プロセスが停止すると、Ｈ₂運転が自動的に合成ガス運転に切り替わる。希釈レベルが監視され、ＮＯｘ排出目標に適合するように制御される。負荷レベルが７０％を超えると、必要があれば、第２の導管２６内の合成ガス／Ｈ₂を減少させ、第１の導管２４への天然ガスの供給を開始することによって合成ガス／Ｈ₂運転を天然ガス運転に戻し、圧力差を補償することが可能である。第１の導管２４内への蒸気注入を利用して、圧力降下が維持され、ＮＯｘが制御される。第２の導管２６内への蒸気注入を利用して、合成ガスが置換される。第２の導管２６内の合成ガスが許容可能な最小値に達すると、合成ガスは停止される。

本発明については特定の実施形態に関連して説明してきたが、この説明は、制限の意味に解釈されるように意図したものではない。本発明に関する説明を参照すれば、当該技術者には、開示の実施形態のさまざまな修正並びに本発明の代替実施形態が明らかになるであろう。従って、こうした修正は、定義された本発明の実施形態から逸脱することなく実施可能であると考えられる。

１０ 混焼システム
１２ 燃焼器内筒
１４ 燃焼器内筒の円筒形領域
１６ 燃焼器内筒の周壁
１８ 周壁の開口
２０ 燃焼器内筒の上流端
２１ ノズル領域の内側穴列
２２ 燃焼器内筒の下流端
２３ ノズル領域の外側穴列
２４ 第１の導管
２５ 第３の導管
２６ 第２の導管
２７ 燃料噴射ノズル
２８ ノズル領域
２９ カバープレート
３２ 燃料噴射口
３４ バーナ軸
３５ 吹出し口
３７ 吹出し口のスロット
３９ バネクリップ流路
４５ 流量調整器
４６ 円錐形セクション
４７ 円筒形セクション

Claims (14)

1. 第１の段階と第２の段階を含む混焼システムを運転する方法であって、
   前記第１の段階に、
   燃焼器内筒に点火して、第１の導管を介して前記燃焼器内筒に供給される第１のタイプの燃料に点火するステップと、
   前記第１のタイプの燃料に加えて、前記第１の導管に蒸気を供給し、前記点火後、第２の導管に蒸気を供給するステップが含まれており、
   第２の段階に、
   前記第１のタイプの燃料の点火後、前記第２の導管を介して前記燃焼器内筒に第２のタイプの燃料を供給し、それと同時に前記第１のタイプの燃料の供給を停止するステップが含まれていることを特徴とする、
   方法。
2. 前記蒸気が、前記第１の導管に供給されるよりも早い時点において前記第２の導管に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
3. さらに、第１の段階中に、前記第２の導管と前記燃焼器内筒との圧力差に関して前記燃焼システムを安定化させるため、媒質を第２の導管に供給するステップが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
4. さらに、第１の段階中に、前記第１の導管と前記第２の導管における蒸気供給が安定化すると、第２の導管における媒質の供給を停止するステップが含まれることを特徴とする、請求項３に記載の混焼システムを運転する方法。
5. さらに、第２の段階中に、前記第１の導管を介して前記第２のタイプの燃料の一部を前記燃焼器内筒に供給するステップが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
6. さらに、前記第２の段階における前記第１の導管を介した前記第２のタイプの燃料の一部の供給開始まで、前記第１の段階から前記第１の導管に蒸気を供給し続けるステップが含まれることを特徴とする、請求項５に記載の混焼システムを運転する方法。
7. 前記第２の段階中に、前記第２の導管における第２のタイプの燃料の流量が、前記第１の導管における前記第２のタイプの燃料の流量の一部に基づいて調節されることを特徴とする、請求項５に記載の混焼システムを運転する方法。
8. 前記第２の段階中に、前記第１の導管を介して供給される前記第２のタイプの燃料の一部が、前記燃焼システムの運転中に供給される前記第２のタイプの燃料の全質量流量の１％〜２０％であることを特徴とする、請求項５に記載の混焼システムを運転する方法。
9. 前記第１のタイプの燃料が天然ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
10. 前記第２のタイプの燃料が合成ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
11. 前記燃焼システムにその全作業能力の２５％〜４０％の負荷がかかると、前記第１の導管及び前記第２の導管への蒸気供給が開始されることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
12. 前記燃焼システムにその全作業能力の３０％〜５０％の負荷がかかると、前記第２の段階における前記第２の導管を介した前記燃焼器内筒への第２のタイプの燃料供給が開始されることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
13. 前記第１のタイプの燃料と前記第２のタイプの燃料の少なくとも一方が、第３の導管を用いて前記燃焼システムに供給されることを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。
14. 前記燃焼システムが予燃焼によるＣＯ₂捕獲プロセスを利用することを特徴とする、請求項１に記載の混焼システムを運転する方法。

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