JP2005048640A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮が困難であった酸素含有ガスをタービンの燃焼ガスとして使用することができるガスタービンシステムを提供する。
【解決手段】 圧縮機１１、燃焼器１２およびタービン１３からなるガスタービン１を備え、酸素を含有する第１燃料ガスＦ１を使用するガスタービンシステムであって、タービン１３からの排ガスＧを熱源として第１燃料ガスＦ１を触媒によって部分酸化することにより酸素濃度を可燃範囲以下に低減させる反応器２４と、反応器２４を経た第２燃料ガスＦ２を昇圧して燃焼器１２に供給する燃料ガス圧縮機４とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭層ガスのような酸素含有燃料ガスを、重油などの液体燃料に代わるガスタービン用燃料として使用して運転することができるガスタービンシステムに関する。

石炭の採掘現場から発生するメタンを主成分とする炭層ガス（Coal Mine Gas:ＣＭＧ）のような酸素含有燃料ガスは、とりわけ安価でかつ大量に入手できる新たな燃料として注目されはじめている。

この炭層ガスは、石炭の採掘現場においては、安全管理上、回収されているものの、これまでその大部分は有効に活用されることなく、そのまま大気中へ排出されている。炭層ガスが大気中に大量に排出されると、環境への悪影響が大きいことから、その有効活用が探求されている。その有効活用の一環として、特にガスタービンシステムで燃料としての使用が検討されている。

なお、炭層ガスの有効活用の一例として、炭層ガスを改質して炭層ガス中のメタン濃度を低下させる方法が知られている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、改質用に使用する二酸化炭素を供給する装置が必要になるため、システムが大型で複雑になる。
特開２００２−３６３５７８号公報

上記炭層ガスをガスタービン燃料として使用する場合、圧縮によりガス性状がガス中の酸素とメタンの可燃範囲に入るため、圧縮が困難で、ガスタービンの燃料ガスとして使用するのが難しかった。そこで、燃焼を回避するため、前記ガス中の酸素を低減する方法として、部分酸化によりメタンと反応させる方法は知られていたが、その予熱のための熱や反応により発生する熱の損失があるため、熱効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、炭層ガスのような燃料ガス中の酸素濃度を効率よく低下させて、ガスタービンの燃料として使用可能にしたガスタービンシステムを提供することを目的とする。

本発明は、圧縮機、燃焼器およびタービンからなるガスタービンを備え、酸素を含有する第１燃料ガスを使用するガスタービンシステムであって、前記タービンからの排ガスを熱源として前記第１燃料ガスを触媒によって部分酸化することにより酸素濃度を可燃範囲以下に低減させる反応器と、前記反応器を経た第２燃料ガスを昇圧して前記燃焼器に供給する燃料ガス圧縮機とを備えている。第１燃料ガスは、例えば、炭層ガス（ＣＭＧ）である。

この構成によれば、酸素を含有する第１燃料ガスの酸素濃度を可燃範囲以下に低減させてからガスタービンの燃焼器に供給して駆動用燃料として使用できるようになる。つまり、これまで前記酸素を含有する第１燃料ガスをそのまま、燃料ガス圧縮機で圧縮してガスタービンの燃料として使用しようとすると、前記酸素濃度が高いために、圧縮による昇温で爆発するおそれがあり、使用が困難であったが、酸素濃度を可燃範囲以下に低減させてから燃料ガス圧縮機に供給するようにしたので、そのようなおそれなく、使用できる。したがって、例えば、これまで、ガスタービンの燃料として有望視されながらも、多くは大気中に排出されてきた炭層ガスを有効活用でき、環境汚染対策上からも好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、タービンからの排ガスを冷媒として前記反応器を出た第２燃料ガスを冷却する冷却器を備えている。この構成によれば、タービンからの排ガスは、反応器を経た第２燃料ガスに比べ、低温であるので、この排ガスを利用して第２燃料ガス間の熱交換によって前記第２燃料ガスを効率的に冷却できる。これにより、前記反応器を出た第２燃料ガスの温度が低くなり、燃料ガス圧縮機に供給されるまでに発熱反応によるエネルギー損失を発生するのが抑制される。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記ガスタービンの起動時に、前記第１燃料ガスを燃焼させて前記反応器に熱源として供給する起動用燃焼器を備えている。この構成によれば、起動時に起動用燃焼器からの燃焼ガスによって反応器を予熱して触媒反応温度にまで予熱できるから、ガスタービンシステムが円滑に起動される。しかも、ガスタービンの燃料となる第１燃料ガスを予熱用にも使用するので、別途液体燃料のような予熱用燃料を用意する必要がない。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記燃料ガス圧縮機により昇圧された第２燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、ガスタービンの起動時に第２燃料ガスの濃度に基づいて前記圧力調整器を制御し、第２燃料ガスの圧力を可燃範囲以下にする圧力制御手段を備えている。この構成によれば、ガスタービンの起動時に反応器が未だ十分作動しない状態であっても、第２燃料ガスがガスタービンの圧縮機に供給されるまでの間、第２燃料ガスの圧力が常時、可燃範囲以下になるように制御されるので、ガス爆発を防止できる。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記第１燃料ガスと第２燃料ガスとの間で熱交換して第１燃料ガスを昇温する熱交換器を備えている。この構成によれば、反応器前の第１燃料ガスを予熱できるので、反応器におけるガスタービン排ガスによる予熱量を低減できる。他方、熱交換器により第２燃料ガスは低温化されるので、発熱反応による第２燃料ガスのエネルギー損失が抑制される。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記排気の通路における反応器の下流側に、排気を熱源として蒸気を生成する排熱ボイラを備えている。この構成によれば、反応器の発生熱が排熱ボイラで回収されて、有効利用される。

本発明のガスタービンシステムによれば、これまで酸素を多く含むことで圧縮が難しく、ガスタービンの燃料としての使用が困難であった酸素を含有する燃料ガスが、その酸素濃度を可燃範囲以下に低減することで、ガスタービン用燃料として使用可能になった。これにより、例えば、これまで有効に活用されることなく、その多くが大気中へ放散されてきた炭層ガスの有効活用を実現できるとともに、環境汚染の問題も解決される。しかも、反応器の熱源としてタービン排ガスが使用されるから、熱効率も向上する。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明のガスタービンシステムの実施形態を示す系統図であって、同装置は、ガスタービン１と、これに付設した排熱回収装置２と、これらの間を接続する配管Ｃ１〜Ｃ５とを備えている。

前記ガスタービン１は、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とを有し、その回転軸１５に負荷である発電機１４が連結されている。なお、前記圧縮機１には、必要に応じて可変静翼１１Ａが設けられている。

酸素を含有する炭層ガスのような第１燃料ガスＦ１は、排熱回収装置２を通ったのち、ガスタービン１に燃料として供給される。すなわち、前記排熱回収装置２はタービン１３からの排ガスＧの通路を形成しており、この通路の上流部には、タービン１３からの排ガスＧが保有する熱によって暖められる予熱器２２が設けられており、ガスタービンの運転時、この予熱器２２内を第１燃料ガスＦ１が配管Ｃ１を通って送り込まれ、第１燃料ガスＦ１が予熱される。

排熱回収装置２における前記予熱器２２よりも下流側には、内部にパラジウム触媒（Ｐｄ）、ニッケル触媒（Ｎｉ）、白金触媒（Ｐｔ）またはロジウム触媒（Ｒｈ）を保持した反応器２４が設けられている。この反応器２４の設置位置は、触媒反応に適した部位に設置するが、例えば触媒がパラジウム触媒（Ｐｄ）の場合には、触媒反応上、排ガス温度３００℃以上となる部位が好ましく、触媒がニッケル触媒（Ｎｉ）の場合には、排ガス温度４００℃以上となる部位が好ましい。

前記予熱器２２と反応器２４との間は、配管Ｃ３で接続され、前記予熱器２２で一定温度に予熱された第１燃料ガスＦ１は、配管Ｃ３を通って予熱器２２から前記反応器２４に送り込まれ、この反応器２４を通過する過程で、前記触媒による部分酸化反応によって、酸素濃度が、後述する燃料ガス圧縮機４による昇圧後の可燃範囲以下に低減されるようになっている。この反応器２４での反応後のガス温度は約６００℃である。

前記反応器２４での触媒反応後のガス温度が使用材料の規定最大温度以上になるおそれがある場合は、前記反応器２４の出口に、冷却部２４ａを設ける。なお、冷却部２４ａの出口のガス温度は温度センサ６３で常時計測されている。この冷却部２４ａを設けることで、前記反応器２４で酸素濃度を可燃範囲以下に低減された高温の酸素含有ガスである第２燃料ガスＦ２が、排ガスＧとの熱交換によって冷却される。この冷却により、前記反応後の第２燃料ガスの温度は約３５０℃にまで低下する。反応冷却部２４ａを出た第２燃料ガスＦ２は、配管Ｃ４を経由して冷却器２６により反応熱が回収されて冷却される。

冷却器２６を出た第２燃料ガスＦ２は、配管Ｃ５を通ってガスタービン１の燃焼器１２に供給される。この配管Ｃ５の途中には、熱交換器３が設けられており、常温の第１燃料ガスＦ１と高温の反応後ガスである第２燃料ガスＦ２との間で熱交換が行われ、前記第２燃料ガスＦ２の冷却と第１燃料ガスＦ１の予熱が同時に行われる。

さらに、前記熱交換器３とガスタービン１の燃焼器１２との間には、配管Ｃ５により送り込まれる前記第２燃料ガスを昇圧して前記燃焼器１２に供給するモータ駆動の燃料ガス圧縮機４が設けられ、この燃料ガス圧縮機４の下流側には、空気冷却器４１が設けられている。この空気冷却器４１により、燃料ガス圧縮機４により昇圧された第２燃料ガスＦ２の温度上昇を抑制している。

また、燃料ガス圧縮機４および空気冷却器４１に対して並列に第２燃料ガス２の圧力を調整する圧力制御弁６Ａが設けられ、空気冷却器４１の下流側には、第２燃料ガスＦ２中の酸素濃度を測定する酸素濃度センサ６１と放散弁６Ｂが接続されている。これら圧力制御弁６Ａおよび放散弁６Ｂにより圧力調整器６が形成されている。前記酸素濃度センサ６１が、反応後の第２燃料ガスＦ２中の酸素残存量を測定して、測定結果をコントローラ５の圧力制御手段５Ａに入力し、この測定結果に応じた圧力制御手段５Ａからの指令により、前記圧力制御弁６Ａの調整と放散弁６Ｂの開閉を行うようになっている。

また、放散弁６Ｂとガスタービン１の燃焼器１２との間には、遮断弁７および燃料調整弁８が設けられており、必要に応じて燃焼器１２への第２燃料ガスの供給を停止したり、あるいはその供給量を調整できるようになっている。配管Ｃ５における遮断弁７と燃料調整弁８の間にはフィルタ９が設けられている。

また、ガスタービン起動前には、タービン１３からの排ガスＧで反応器２４を予熱できないため、排熱回収装置２における予熱器２２の上流側に、反応器予熱用のガス排出器２１を設けている。配管Ｃ１から分岐した配管Ｃ２に起動用燃焼器３１を接続し、フィルタ１０を経た空気Ａと前記配管Ｃ２からの第１燃焼ガスＦ１とを混合したものを起動用燃焼器３１で燃焼させ、得られた燃焼ガスＧ１が、配管Ｃ６を経てガス排出器２１に送り込まれるようになっている。なお、この起動用燃焼器３１は、蒸気需要が増加した場合には、後述する排熱ボイラ２０の追焚き装置としても使用される。

前記ガスタービンシステムにおける蒸気生成系統は、つぎのような構成となっている。給水タンク５０から揚水された水は配管Ｃ７を経て排熱ボイラ２０の上流で給水加熱器５１により加熱され、脱気器５２に入る。排熱ボイラ２０の前段部２０ａで発生した蒸気は復水ドラム５３を経て、脱気器５２に入って水の加熱に使用され、脱気器５２には、排熱ボイラ２０の前段部２０ａの復水ドラム５３で発生した蒸気が送り込まれ、液体分が脱気器５２から配管Ｃ８によりエコノマイザ２７を経て排熱ボイラ２０の後段２０ｂの復水ドラム５４に入り込む。

復水ドラム５４からの蒸気は、必要に応じてその一部が前記脱気器５２に戻され、他の一部は配管Ｃ９により、ガスタービン１の出力および熱効率向上を目的として燃焼器１２に注入される。さらに他の一部は、配管Ｃ１０を通って、排熱回収装置２における予熱器２２と反応器２４の間に設置された過熱器２８で加熱して蒸気タービン５５用に、または暖房用の温水５６として利用するようにしている。なお、図示しないが、前記復水ドラム５３、５４中のチューブに、反応器２４を出た高温の第２燃料ガスＦ２を流すことで、第２燃料ガスＦ２と復水ドラム５３、５４中の復水との熱交換による追加の蒸気発生も可能である。

こうして、タービン１３から排出される排ガスＧは、排熱回収装置２内で第２燃料ガスＦ２や排ガスボイラ２０の水および蒸気と熱交換され、熱エネルギーが回収されて低温となったのちに、煙突５７から大気中へ放出される。

つぎに、前記構成によるガスタービンシステムの動作について説明する。まず、起動時の動作例１として、リヒート起動方式について説明する。配管Ｃ２からの第１燃料ガスＦ１を起動用燃焼器３１にて燃焼して高温ガスＧ１を発生させ、これをガス排出器２１から排出して反応器２４を事前加熱する。反応器２４の事前加熱を図示しないセンサで確認した後、コントローラ５の圧力制御手段５Ａの作動により、圧力調整器６の圧力制御弁６Ａを全開とし、燃料ガス圧縮機４を起動する。また、圧力調整器６の放散弁６Ｂは全開とする。放散弁６Ｂは圧縮機定格容量の５〜２０％程度とし、この複数容量は配管内のガス置換時間より決定する。酸素濃度センサ６１にて残存酸素量を計測し、酸素残存量が圧縮可能な下限である、例えば４％以下となった後、酸素残存量が４％以下であることを確認しながら、圧力制御弁６Ａの設定値を順次定格値まで上昇させる。その後、前記放散弁６Ｂを全閉する。

続いて、図示しないスタータでガスタービン１を起動し、排ガスＧの温度が反応器２４の触媒反応温度以上となった後、起動用燃焼器３１を停止し、定格運転に入る。このように、ガスタービン１の起動時に反応器２４が未だ十分作動しない状態であっても、第２燃料ガスＦ２がガスタービン１の圧縮機１１に供給されるまでの間、第２燃料ガスＦ２の圧力が常時、燃料ガス圧縮機４による昇圧後の可燃範囲以下になるように制御されるので、ガス爆発を防止できる。また、起動時に起動用燃焼器３１からの燃焼ガスＧ１によって反応器２４を予熱して触媒反応温度にまで予熱できるから、ガスタービンシステムが円滑に起動される。しかも、ガスタービン１の燃料となる第１燃料ガスＦ１を予熱用にも使用するので、別途液体燃料のような予熱用燃料を用意する必要がない。

つぎに、起動時の動作例２について説明する。この動作例２は、起動用燃焼器３１を使用しないで、ガスタービン１の燃焼器１２に軽油のような液体燃料を供給して起動する。排ガスＧの温度が反応器２４の触媒反応温度以上になった後、圧力調整器６の圧力制御弁６Ａを全開とし、燃料ガス圧縮機４を起動する。また、圧力調整器６の放散弁６Ｂは全開とする。放散弁６Ｂは燃料ガス圧縮機４の定格容量の５〜２０％程度とし、この容量は配管内のガス置換時間より決定する。続いて、酸素濃度センサ６１にて残存酸素量を計測し、酸素残存量が４％以下になった後、酸素残存量が４％以下であることを確認しながら圧力制御弁１Ａの設定値を順次定格値まで上昇させる。その後、前記放散弁６Ｂを全閉し、液体燃料から第１燃料ガスＦ１に切り替えて定格運転する。

前記起動方式のいずれの場合においても、起動時には、供給燃料圧力を第１燃料ガスＦ１に含まれるメタン（ＣＨ４）と酸素の可燃範囲以下とした状態でガスタービン１を起動する。ガスタービン１の燃焼器１２の圧力は前記供給燃料圧力にて燃料を投入できるように徐々に上昇させる。起動時に燃焼器１２の圧力、つまり圧縮機１１の出口圧力を徐々に上昇させるための減圧方法としては、ガスタービン１の回転数を徐々に上げるか、または圧縮機１１入口の可変静翼１１Ａを絞る方法がある。さらに、圧縮機１１の中断に設けた逃がし弁１１Ｂにより圧縮空気を外部に逃がすことによって減圧する方法もある。ガスタービン１の起動後、排ガスＧの温度が上昇し、反応器２４によって酸素の除去が可能になれば、燃焼器１２の圧力を徐々に上昇させる。これに伴い、燃料ガス圧縮機４の供給圧力も上昇させる。このように制御することにより、燃料ガス圧縮機４は起動時の低圧用と定常運転時の高圧用の２台を備える必要がなく、１台で足り、ガスタービンシステムの構成が単純化され、かつコストダウンが図れる。

定格運転に入ると、第１燃料ガスＦ１は、配管Ｃ１を通って予熱器２２で予熱されたのち、反応器２４で部分酸化され、第１燃料ガスＦ１中の酸素濃度が、燃料ガス圧縮機４による昇圧後の可燃範囲以下に低減される。ここで、反応器２４は排ガスＧを熱源とするから、他の熱源を必要としないので、ガスタービンシステム全体の熱効率が向上する。反応器２４の冷却部２４ａを出た第２燃料ガスＦ２は冷却器２６により、排ガスＧを冷媒として冷却される。タービンからの排ガスは、反応器を経た第２燃料ガスに比べ、低温であるので、この排ガスを利用して第２燃料ガス間の熱交換によって前記第２燃料ガスを効率的に冷却できる。これにより、反応器２４を出た第２燃料ガスＦ２の温度が低くなり、燃焼器１２に供給されるまでに発熱反応によるエネルギー損失が発生するのが抑制される。その結果、第２燃料ガスＦ２のエネルギーが後段の排熱回収装置２で蒸気として回収され、有効に活用される。

冷却器２６を出た第２燃料ガスＦ２は配管Ｃ５を通って燃焼器１２に供給される。その際、熱交換器３において、低温の第１燃料ガスＦ１と熱交換されることで、第１燃料ガスＦ１は昇温するので、反応器２４での予熱負担が軽減される。一方、第２燃料ガスＦ２は第１燃料ガスＦ１との熱交換によって低温化されるので、発熱反応による第２燃料ガスＦ２のエネルギー損失が一層抑制される。また、排熱回収装置２内の排ガス通路における反応器２４の下流側に設けた排熱ボイラ２０により、反応器２４からの発生熱が有効に回収される。

定格運転時の第１燃料ガスＦ１と第２燃料ガスＦ２の組成を図２に示す。酸素除去反応平衡計算結果（メタン＝４０％）において、ケース１，２はそれぞれ、酸素残存量が４％および０％になるまで反応させた場合を示している。ケース１，２ではメタン（ＣＨ４）が酸素と反応することで、メタン量は反応前の第１燃料ガスＦ１から目減りするものの、水素および一酸化炭素が大幅に増加しており、ガス体積比やガス総発熱量比から推察して、ガスタービン用燃料として安定して使用できることが明らかである。
本発明のガスタービンシステムを備えた施設を石炭採掘現場近くに建設するか、石炭採掘現場から回収される炭層ガスをパイプラインで遠隔地にあるガスタービンシステムを備えた施設に継続的に供給することで、石炭採掘現場からの炭層ガスを第１燃料ガスとして、有効活用することができる。

本発明のガスタービンシステムの実施形態を示す系統図である。 本発明による第１燃料ガスの組成の一例を示す図表である。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 排熱回収装置
３ 熱交換器
４ 燃料ガス圧縮機
５Ａ 圧力制御手段
６ 圧力調整器
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２０ 排熱ボイラ
２４ 反応器
２６ 冷却器
３１ 起動用燃焼器
Ｆ１ 第１燃料ガス
Ｆ２ 第２燃料ガス

Claims (6)

1. 圧縮機、燃焼器およびタービンからなるガスタービンを備え、酸素を含有する第１燃料ガスを使用するガスタービン装置であって、
   前記タービンからの排ガスを熱源として前記第１燃料ガスを触媒によって部分酸化することにより酸素濃度を可燃範囲以下に低減させる反応器と、
   前記反応器を経た第２燃料ガスを昇圧して前記燃焼器に供給する燃料ガス圧縮機とを備えたガスタービンシステム。
2. 請求項１において、さらに、前記排ガスを冷媒として前記反応器を出た第２燃料ガスを冷却する冷却器を備えたガスタービンシステム。
3. 請求項１または２において、さらに、前記ガスタービンの起動時に、前記第１燃料ガスを燃焼させて前記反応器に熱源として供給する起動用燃焼器を備えたガスタービンシステム。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、さらに、前記燃料ガス圧縮機により昇圧された第２燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、ガスタービンの起動時に、第２燃料ガスの濃度に基づいて前記圧力調整器を制御し、第２燃料ガスの圧力を可燃範囲以下にする圧力制御手段を備えたガスタービンシステム。
5. 請求項１から４のいずれかにおいて、さらに、前記第１燃料ガスと第２燃料ガスとの間で熱交換して第１燃料ガスを昇温する熱交換器を備えたガスタービンシステム。
6. 請求項１から５のいずれかにおいて、さらに、前記排気の通路における反応器の下流側に、排気を熱源として蒸気を生成する排熱ボイラを備えたガスタービンシステム。
   

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