JPS6187926A - ガスタービンにおける燃料ガス供給方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ガスタービンに燃料ガスを過熱状態にして
供給する燃料ガス供給装置に関するものである。

〔従来の技術） ガスタービンは発　ＩＩあるいはコンプレッサ。

ポンプ等の駆りｊ源として使用される。特に安価な燃料
ガスが（９られる場合、多々採用されており、石油、ガ
スの生産・輸送設備に関連して採用されることが多い。

ガスタービンへの燃料ガスは、ガスタービンの燃焼方式
上、加圧状態で供給する必要がある。この供給圧力は、
一般的には８　Ｋ９　／　ｃｒＡ　Ｇ　〜３０　Ｋ９　
／ｃＩｉＧでガスタービンの出力が大きくなるにつれて
増大する。

したがって従来は、例えば石油・ガスの生産設備の高圧
セパレーター等の分離ガスを減圧調整してその背圧を利
用するか、供給圧力が不足づる場合は、圧縮設備により
圧力を高めて使用されていた。第５図は従来の燃料ガス
供給装置を示す一例で、１は高圧セパレータ、２はミス
トセパレーク、３は圧力調整弁、４は圧力調整弁３を制
００する圧力制御装置、５はドレンセパレータ、６はガ
スタービン、７はこのガスタービンに接続された負荷で
ある。この例では、燃料ガス源としての高圧セパレーダ
１から送られてぎた燃料ガスは、輸送ライン中で冷部凝
縮されて出来たミスト（凝縮液）や飛沫同伴して来たミ
ストをミストセパレータ２で除かれ、次いで圧力制御装
置４の圧力調整弁３でガスタービン６に必要な供給圧力
に減圧される。

そしてこの減圧操作によって凝縮液化したミストはドレ
ンレバレータ５によって除去され燃料ガスがガスタービ
ン６に供給されるようになっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来例においては、高圧セパレータ１のガス
を減圧調整づるにしても、圧縮設備で昇圧して燃ｒ１ガ
スを供給する場合にしても、ミストセパレータ２．ドレ
ンセパレータ５等の気液分離は、液・ガス平衡状態での
分離であるため、その分離ガスは露点状態のガスである
。従って外気温度が低い場合、ドレンセパレータ５とガ
スタービン６との間の供給ラインで放熱によって供給燃
料ガス温度が低下したり、圧力損失によってガス成分の
一部が凝縮液化してミストが出来る。従来、この発生ミ
ストが同伴することで燃料系統の流量調整用やシャツ１
へダウン用等の各種バルブの作動不良が時々発生してい
た。また、ガスタービン６の燃焼は内部加圧した空気中
に円周状に配設された燃料スリットノズルから高速で燃
料ガスを噴出させて行なう。燃料スリットノズルの大き
さは０．５ｓ〜２．０ｍｍと非常に小さく、ガスタービ
ンを安定して性能を保）ｙするにシよ複数の１記燃料ノ
ズルからの均等な燃料ガスの噴出及びそれに基づく均一
な燃焼が必要であるが、上記ミストが燃料スリット部に
付着し炭化されたりして燃料用銅のアンバランスが生じ
、その結果燃焼のバランスがくずれて部分的に高温部（
ヒー１へスポット）が生じ、ひいては燃焼器の破１ｇに
つながることがあった。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は上記従来の欠点を解決するために提案された
もので、その特徴とするところは、燃料ガス中の凝縮液
を除去する凝縮液分離除去手段と、該凝縮液分離除去手
段を経た燃料ガスを加熱する加熱手段と、を設けたガス
タービンにおける燃料ガス供給装置にある。

〔作用〕

その結果、たとえ凝縮液分離除去手段から燃料ガスと同
伴してくる微細なミストがあっても加熱手段によって蒸
発させられガス状となるのでミスト（液滴）の生成がな
く、燃料系統のトラブルを完全に押えることができると
共に、ガスタービンの燃焼状態を長期に安定させること
ができてガスタービンの１〜ラブル頻度を極少に押える
ことができ、かつ定期点検時における燃料ノズルの清帰
が軽減されその部品交換も少なくし得ることになる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は圧縮設備で昇圧して燃料ガスをガスタービンに
供給する場合の実施例で、２０はミストセパレータ、２
１は容積式、ターボ式や軸流式等の圧縮機、２２は熱交
換器、２３はアフタク〜う、２４はドレンレバレータ、
２５はフィルタ、２６はガスタービン、２７は負荷、２
８はガスタービンの起動前に使用するための補助ドレン
セパレータぐある。そして矢印（“イ）のようにガス人
口２９から供給された燃料ガスが、ミストセパレータ２
０、圧縮機２１、熱交換器２２、アフタクーラ２３、ド
レンセパレータ２４をそれぞれ経て送られるように配管
され、さらに、ドレンセパレータ２４の下流の配管Ａは
、ミストセパレータ２０に戻るバイパス系統の配管Ｂと
、ガスタービン２６に熱交換器２２およびフィルタ２５
を経て送られるガスタービン系統の配管Ｃ（このうら熱
交換器２２の上流の配管をＣ＋、下流の配管を０２とす
る）とに分岐配管されている。また、ドレンセパレータ
２４の下流の配？ｇＡの分岐する直前の部分およびミス
トセパレータ２０にはガスの圧力を検知してその圧力に
応じて制御信号を出す圧力制御装置３０．３１がそれぞ
れ設けられ、前記配管Ｂには圧力調整弁３２が設けられ
ている。この圧力調整弁３２は、通常は配管Ａの圧力制
１ｆＩＩ装置３０によって制御されるが、ミストセパレ
ータ２０内の圧力（すなわち、圧ｆｉは２１の吸込圧力
）が異常に低下したとき、選択制ｔＩｌ装置３３によっ
て切替えられてミストヒバレータ２０側の圧力制御装置
３１の制御信号により作ｆｊ＋　するようになっている
。

次に上述の燃料ガス供給装置の運転について説明する。

１）ガス人口２９における燃料ガスは通常、温度は常温
、圧力は１　、０〜７　、０に９／ｃＭＡ　（絶対圧）
である。

２）ミス１−セパレータ２０により通常ミス１−の約９
０％が除去される。

３）圧縮機２１の吸込口においては、ミストセパレータ
２０おＪ：び配管系の圧力損失により、圧力がガス入口
２９での圧力より、通常約０．２〜１．０旬／　ｃｒｉ
低くなる。

４）圧縮機２１の吐出側では、吐出圧力は通常１０〜１
６而／ｃｄＡ（これは、ガスタービン２６の要求ガス圧
力に圧縮機２１とガスタービンとの間の配管系の圧力損
失を加えた大きさの吐出圧力である）、吐出温度は９０
〜１３０℃である。

なお、吐出温度は次式により定まる。

ｓ 但し、可逆断熱式圧縮の場合（容積式圧縮ｍ＞辻 ｓ 但し、ポリトロープ圧縮の場合（ターボ式圧縮機） ここで、Ｔｄ：吐出温度（°Ｋ） ＴＳ：吸込温度（°Ｋ） Ｐｄ：吐出圧力（Ｋ９　／　ｃｒｉ　Ａ　）ＰＳ；吸込
圧力（Ｋ９／ｃｉＡ＞ Ｋ：ガス定数比（１）／ＣＶ Ｃｐ：定圧比熱 Ｃ■：定容比熱 ｎ：ボリ１−ロープ変化の場合の指数 上記の（Ｉ’）、（Ｉ）式から明らかなように、圧縮機
２１の吐出圧力Ｐ（ｌを下げれば吐出温度Ｔｄも下がる
。そして、圧縮機２１の吐出圧力Ｐｄは圧力制御Ｉ装置
３０の設定値を下げることによって下げることができる
。

５）熱交換器２２においては、圧縮灘２１がら出た高温
燃料ガスがガスタービン系統の配＠Ｃを流れる低ｉｆｆ
燃料ガスに熱エネルギを与えてこれを加熱づ゛る。なお
、この熱交換の現東については後でさらに８干しく述ぺ
る。

６）熱交換器２２において少し冷やされた高温燃料ガス
はアフタクーラ２３において常温近くまで再度冷却され
る。このとき、燃料ガス中に含まれる一部の成分は、温
度が下がることによって凝縮液化する。なお、クーラの
種類によっては、この凝縮液は一部クーラのドレン排出
口により排出される。

７）上記の凝縮液化したガス成分はドレンセパレータ２
４で分離除去される。

８）なおガス人口２９からドレンセパレータ２４の下流
の配管Ａまでの間には、圧縮機２１の容量分だけの燃料
ガスが流れている。

９）ガスタービン系統の配管Ｃには、ガスタービン２６
の角筒が要求する分だけ燃料ガスが分岐して送られる。

そしＣ１熱交換器２２に入る前には飽和状態又は過飽和
状態にあった燃料ガスは、熱交換器２２によって加熱さ
れて過熱ガスとなりガスタービン２６に供給される。

１０）ガスタービン系統の配管Ｃに送られる燃料ガスは
上述のようにガスタービン２６の負伺２７に見合う吊だ
けしか流れないため、余剰分の燃料ガスは圧力調整弁３
２及び配管Ｂを経てガス人口２９に戻る。

したがって、圧力制御装胃３０によって圧力を検知して
、その検知した圧力に応じて圧力調整弁３２の開麿を調
整することにより、ガスタービン系統の配管ＣＩ、：送
られる燃ねガスの圧力を一定に保つことができる。

なお、バイパス系統の配管Ｂからガス入口２９に戻る燃
料ガスはアフタクーラ２３を経たものでなければならな
い。なぜならば、圧縮機２１が容積式のものであっても
、完全な可逆断熱変化により圧縮されるのではなく、圧
縮機の摩擦熱などにより実際には余分に加熱されるため
、圧縮された高温燃料ガスを圧力調整弁３２で断熱膨張
させたとしても、もとの供給ガス温度まで下がらず、し
たがって、このバイパスガスが循環していると仮に考え
ると、その燃料ガスは圧縮機２１により相乗的に加熱さ
れ、その結果圧縮１ｆｉ２１の田川ガスの温度が上昇し
ていぎ機械的問題が生じるからである。

１１）ミストセパレータ２０側の圧力制御装置３１は、
ドレンセパレータ２４の下流の配管△の圧力制御装置３
０と同様に制御信号を出しており、通常は選択制御装置
３３によって無視されているが、ガス入口２つの燃料ガ
スの供給量が減少して圧縮機２１の吸込圧力が一定値以
下に下ったとぎには、選択制御装置３３によって切替え
がなされ、圧力調整弁３２は、ミストセパレータ２０側
の圧力制御装置３１によってのみ制御される。この場合
、配管Δの圧力制御装置３０は無視され、圧縮（幾２１
の田川側のガスを吸込側に戻して圧縮機２１の吸込側の
圧力低下を防ぐように、圧力調整弁３２が開となる制御
がなされる。これは、圧縮機２１の吸込圧力が低下した
場合、圧縮機２１に異常な影響を与えて故障の原因とな
るし、また、吸込圧が真空近くになれば空気を吸う可能
性がでてきてきわめて危険であるためであり、すなわら
ガスタービン２６への供給より、圧縮様２１の保護を優
先させるためである。この様に入口２９の供給ｍが減っ
てガスタービン系統の配管Ｃにおける圧力が一定値以下
に低下したとぎには、図示しない別の燃料系統（通常は
液体燃料）に切り替えるか、あるいはガスタービン２６
の運転を止める。

１２）また、補助ドレンセパレータ２８はガスタービン
２６の起動時に用いるもので、起動１１Ｇにガスタービ
ン２６の手前のバルブ３４を開、補助ドレンセパレータ
２８側のバルブ３５を間として圧縮１２１を運転し、燃
料ガスを循環させて冷えている配管を温め、各配管が温
まった後ガスタービン２６を起動する。これによって起
動のはじめから好ましい過熱ガスをカスタービン２６に
供給することができる。

次に前）ホの５）の項で述べた熱交換器２２における熱
交換の現象について述べる。

一般に熱交換器にお４ノる交換熱ｆｆｚＱは次式で定ま
る。

Ｑ＝ＵＸ△×Δｔｍ　　　　・・・・・・・・・・・・
・・・（Ｉｌｌ）Ｕ：総括伝熱係数 △：伝熱面槓（一定） へｔｍ二対数平均温度差 Δ１ｍ−Δｔ１−Δｔ２　・・・・・・・・・・・・・
・・（ｒＶ）１ｏｇｅ　ＬＬＬ Δｔ２ Δｔ＋＝Ｔ２　　ｔ＋ Δ１’、２＝ＴＩ　−ｊ２ Ｔ＋ｌＩＯ熱流体の熱交換器入口における４庶Ｔ２　：
加熱流体の熱交換器出口における温度ｔ１　；被加熱流
体の熱交換器入口おける温度ｔ２　：被加熱流体の熱交
換器出口におＩＪる温度被加熱流体の売尽（すなわら、
ガスタービン系統の配管ＣにＪ３ける流Φ）が減り、ガ
ス流速が減ると、総括伝熱係数Ｕｌ眉小さくなる。また
、被加熱流体の出口における温度ｔ２は上昇するが、加
熱流体と被加熱流体の温度差、すなわらＴ＋　−ｔ２　
（−Δ１２）が小さくなり、（ＩＶ　）式にお【ノる分
子の数値は大きくなるが、それにも増して分母の数値の
方が大きくなるので対数平均温度差Δｔｍは小さくなる
（このことは、（ＩＶ　）式において、数学的演算によ
り直りに導かれることである）。したがって、被加熱流
体の流ｍＧが小さくなると熱交換器Ｑも小さくなる。

ところで、一定の熱面積を有する熱交換器において移り
」する黙過として、加熱される液加熱流体の温度上昇は
次式で定まる。

Δｔ＝　　Ｑ ｘＣｐ Ｇ：被加熱流体の売尽 Ｃｐ：被加熱流体の比熱 Δｔ：被加熱流体の温度上昇 ここにおいて、前述した如く被加熱流体の売尽Ｇが小さ
くなっても、熱交換ａＱも小さくなるので、被加熱流体
の温度上昇Δｔはそれ程人きくならない。

すなわち、ガスタービン２６の角筒が減少して、ガスタ
ービン系統の配管Ｃに流れるガス吊が減つても（なお、
その限度は、一般に定格負荷時の流ｍの約４０％である
）、この熱交換器２２において加熱しすぎることがない
。このように本発明においては、熱交換器２２の加熱流
体として圧縮機の吐出燃料ガスを用いていることにより
、この熱交換器２２は、加熱しすぎることのない自己調
整能をもつしのとなっており、ガスタービン２６へ送る
燃１１１ガスの温度上昇を許容値以内に収めることが可
能となっている。

さらに、上記温度上昇が許容値を越えるケースがある場
合でも、ガスタービン２６が必要とする圧力範囲（通常
的８〜１４Ｋｇ／ｃｎＧ（ゲージ圧））で叶圧力を下げ
ることにより圧縮１２１の吐出温度を下げて、ガスター
ビン２６へ送る燃料ガスの温度をＩ［４値以内に収める
ことができる。この状況を詳しく説明寸れば、前述した
（Ｉ）式、（ＩＩ）式より明らかｔｒとおり、圧縮１幾
２１の吐出圧力Ｐｄを下げれば、吐出温度Ｔｄも下がる
。そして圧縮（幾２１の吐出圧力Ｐｄを下げることは圧
力制御装置３０の設定値を下げることによって行うこと
ができるので、圧ツノ制御装置Ｆ７３０の設定値をガス
タービン２６が必要とする圧力範囲内で低く設定するこ
とによって圧縮１ａ２１の吐出温度を下げることができ
、その結果として、ガスタービン系統の配管Ｃ２のガス
温度を下げることができる。

そして、圧力制御装置３０の設定値を変えることは、手
動で行ってもよい。このような設定値の変更は、夏期と
冬期とぐガス入口２つから供給される燃料ガスの温度に
茗しい差がある場合などに行うとよい。又、第２図のよ
うに、ガスタービン系統の配管Ｃ２に、温度を検知して
その検知した温度に応じた制御信号を出を温度制御装置
３６を設け、この制御信号によって配管Ａの圧力制御装
置３０の設定値を変えるようにし、このようなカスケー
ド制御によって圧力制御装置３０の設定値の変更を自動
的に行うようにしてもよい。

以上の様にしてガスタービン２６に許容値以内の温度で
ミストのない過熱燃料ガスを供給することができる。

上記第１図及び第２図で示した実施例では、本発明の凝
縮液分離除去手段がドレンセパレータ２４で構成され、
本発明の加熱手段が熱交換器２２で構成されている。

第３図は、他の具体的な実施例を示すもので、定格２５
００ＫＷのガスタービン２６．２６の２基に燃料を供給
するものである。そして、吸込圧力１　、０３３に９／
ｃｉＡから吐出圧力１７．３に９／ｃＭ　Ｇに圧縮する
ために２段の往復動圧縮機４１゜４２を設け、中間クー
ラ（冷却器）４３、中間ミストセパレータ４４を設けて
いる。中間クーラ４３、およびアフタクーラ２３は大気
温度が最高４５℃の条ｆ′Ｉにお番′ｊる空冷式である
。また、熱交換器２２の容量はガスタービン定格２５０
０ＫＷ２台分とし、約１０．０ＯＯＫｃａｌ　／Ｉ」（
７）交換熱容量を右１Ｊ゛る伝熱面積１．４Ｔｄの二重
管式熱交換器を用いている。なお、第１図と共通する部
分については同一符号を付して説明を省略する。また使
用する燃料ガスの性状は次のものとする。

成分　１段目圧１？を機４１人口におけるモル比（％）
メタン　　　　　　　　１５．８２ エタン　　　　　　　　　１３．８４ プロパン　　　　　　　２２．２６ イソブタン　　　　　　　６．２６ ノルマルブタン　　　　１３．９９ ノルマルペンタン　　　　５．５０ ヘキザン　　　　　　　　４．４０ ヘプタン　　　　　　　　３．６９ 水蒸気　　　　　　　　　３．１／１ 硫化水素　　　　　　　　３．９５ 窒素　　　　　　　　　　０．８７ 炭酸ガス　　　　　　　　１．３４ 合　　　　ｉｔ　　　　　　　　　　　１　００　　　
％上記燃料ガスを用いた場合の結果を示すと、第３図の
各段階に記す通りとなり、ガスタービン２６に、６５℃
のミストのない燃料ガスを供給することができた。

以上の実施例において、アフタクラ−２３の容量は、後
述の第４図に示す外部熱源にょるヒータ５０を用いたも
のと較べ、熱交換器２２の容量１０．０ＯＯＫｃａｌ　
／ｌ−１相当分だ１ブ小さくすることが可能となった。

また、ガスタービン２６側への燃料ガス供給ｍはガスタ
ービン１台無負荷運転の時に最少となるが、このときガ
スタービン２６へ送られる燃料ガスは熱交換器２２にお
いて最鳥に加熱され、そのどきのガス温度は７７℃であ
った。この温度はガスタービンへ送られる燃料ガスとし
ては許容される範囲内のものである。またこれによって
ミストのない過熱燃料ガスを供給することができたので
ガスタービンのＡ−バホールの行なう時期を通常の１０
％程度のばしても問題なく、かつ運転中のトラブル頻度
は約半分に減った。さらに４０００時間毎に点検・清掃
作業を行むう定期点検においてもガスタービンの燃焼器
、燃料ノズル部分の清（品が第５図に示す従来の燃料ガ
ス供給装量の用台に比べて極端な差があり、その部品交
換も少なかった。

以十の実施例については、この発明の過熱手段を圧縮機
２１の吐出燃料ガスを加熱流体とする熱交換器２２を使
用した例を示したが、これに代えて蒸気等の加熱流体又
は電気を熱源どする外部熱源をもらいでもよい。

第４図は、加熱手段として外部熱源によるヒータ５０を
もちいた実施例である。なお、第１図と共通する部分に
ついては同一符号を付して説明を省略する。

第４図において矢印（イ）のようにガス人口２９から供
給された燃料ガスが、ミストセパレータ２０．圧縮機２
１．アフタクーラ２３．ドレンセパレータ２４をそれぞ
れ経て送られるように配管され、さらに、ドレンセパレ
ータ２４の下流の配管Ａは、ミストセパレータ２０に戻
るバイパス系統の配管Ｂと、ガスタービン２６にヒータ
５０を経て送られるガスタービン系統の配管Ｃとに分岐
配管されている。また、ドレンセパレータ２４の下流の
配管Ａの分岐点とヒータ５０の間の配管Ｃに圧力制御装
置３０が設けられ、ヒータ５０とガスタービン２６の間
のガスタービン近傍の配管Ｃには温度制御装置５１が設
けられている。この温度制御装置５１によってガスター
ビン２６におくられる燃料ガスの温度を常時検出しなが
らヒータ５０の蒸気等の加熱流体供給配管５２に設けら
れた流量調整弁５３を制御し、ミストのない過熱燃料ガ
スをガスタービン２６に供給するようになっている。こ
の過熱の程度はヒータ５０からガスタービン２６までの
配管Ｃの長さ及び外気温によってことなるが、一般的に
は供給燃料ガスの露点プラス５℃〜２０°Ｃに加熱すれ
ば十分である。このヒータ５０の加熱によりミストがガ
スタービン２６に流入しないのでガスタービンの燃焼状
態を長門に安定させることができる。

なＪ３．５４は加熱流体の戻り配管である。

上記実施例は、圧縮設漏で背圧して燃料ガスをガスター
ビンに供給する場合について述べたが、燃料ガスの供給
源の圧力が高くぞの背圧を利用出来る場合は、第４図の
圧縮機２１．アフタクーラ２３、ミストセパレータ２０
に跨がるバイパス系の配管Ｂ等の圧縮設備を第５図で示
した減圧設備に代えるだけでこの発明の燃料ガス供給装
量を使用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の燃料ガス供給装置によ
れば燃料ガス中の凝縮した凝縮液を除去する凝縮液分離
除去手段と、該凝縮液分離除去手段を経た燃料ガスを加
熱する加熱手段とを設けたからたとえ凝縮液分離除去手
段から燃料ガスと同伴してくる微細なミストがあっても
加熱手段によって蒸発させられガス状どなるので、ガス
タービンに流入する燃料ガスにはミス１−がなく、燃料
系統のトラブルを完全に押えることができると共に、ガ
スタービンの燃焼状態を長期に安定させることができて
タービンのトラブル頻度を極少に押えることができ、か
つ窓明点検時における燃料ノズルの清掃が軽減されその
部品交換も少なくなるという顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すシステム図、第２図は
他の実施例を示すシステム図、第３図はさらに他の実施
例を示すシステム図、第４図はさらに他の実施例を示す
システム図、第５図は従来の撚れガス供給装置のシステ
ム図である。 ２１・・・・・・圧縮１幾、２３・・・・・・アフタク
ーラ、２４・・・・・・ドレンセパレータ、２６・・・
・・・ガスタービン、２２・・・・・・熱交換器、２つ
・・・・・・ガス入口、３０゜３１・・・・・・圧力制
御装置、３２・・・・・・圧力調整弁、３３・・・・・
・選択制御装置、４１・・・・・・１段目圧１１？１Ｆ
ｊｉ３．４２・・・・・・２段目圧縮機、４３・・・・
・・中間クーラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料ガス中の凝縮液を除去する凝縮液分離除去手段と、
   該凝縮液分離除去手段を経た燃料ガスを加熱する加熱手
   段と、を設けたことを特徴とするガスタービンにおける
   燃料ガス供給装置。