JP4979615B2 - 燃焼器及び燃焼器の燃料供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器及び燃焼器の燃料供給方法に関する。

特許文献１には、低発熱量ガスを安定して燃焼させ、コンパクトな構成で可燃性ガスを低コストで利用することができるガスタービン装置が開示されている。但し、特許文献１では、高発熱量ガスと低発熱量ガスを合流させる三方弁と、三方弁の下流側に配置されるバーナーとの関係については開示されていない。

特開２００６−１６１６０３号公報

ＬＮＧよりも発熱量の低い低発熱量ガスを燃焼器に供給する場合、発熱量の低下に見合って燃料流量を増加させる必要がある。

特許文献１において、三方弁とバーナーとの間が単一の燃料供給系統の場合、ＬＮＧを基準とした燃料ノズルに低発熱量ガスを供給すると燃料流量が増加するため、燃料ノズルの圧力損失が大きくなる。そのため、ガス圧縮機の圧力仕様や、制御弁などの機器仕様、燃料配管の仕様も変更することになり、大幅なコストアップを招く。一方、低発熱量ガスの最大流量条件で燃料ノズルの仕様（開口面積）を決めると、ＬＮＧの小流量条件で燃料ノズルの圧力損失が非常に低くなり、燃料流量の偏差が生じ、不安定燃焼を誘発するなどの問題が発生する。

本発明は、２種燃料を使用したことによる大幅なコストアップや不安定燃焼を抑制することにある。

本発明は、発熱量の異なる２種類の燃料ガスを供給する２つの燃料ガス上流系統と、２つの該燃料ガス上流系統を合流させる三方弁と、該三方弁を通じて供給された前記燃料ガスが分岐され、前記燃料ガスを燃焼室に供給する複数の燃料ガス供給系統と、それぞれの該燃料ガス供給系統に対応し、前記燃料ガス供給系統から供給された燃料ガスを燃焼室に噴出する複数のバーナーと、前記燃料ガス供給系統と並列に配置された低発熱量燃料の専用系統と、前記専用系統から供給された低発熱量燃料を燃焼室に噴出する低発熱量燃料の専用バーナーと該専用系統に、前記低発熱量燃料の流量を調節する燃料ガス流量調節弁と、該流量調節弁の上流側に設置された遮断弁と、該燃料ガス流量調節弁の下流側に設置された配管パージ系統とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、２種燃料を使用したことによる大幅なコストアップや不安定燃焼を抑制することが可能となる。

近年、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されている。そのため、ガスタービンの主要燃料である液化天然ガス（ＬＮＧ）以外に、水素や一酸化炭素などを含む多成分から成る混合ガス燃料（たとえば製油所で発生するオフガスや、鉄鋼製造の過程で発生するコークス炉ガスなど）をガスタービンのメイン燃料として利用することが検討されている。これらは副生燃料であるために安価であるため、ガスタービンの燃料として利用できれば、燃料代のランニングコストを削減できるなどの利点がある。しかも、水素含有燃料であるため燃料中の炭素分が少なく、ＬＮＧに比べて排出ガス中のＣＯ₂の削減効果も期待できる。

しかしながら、これら副生燃料に含まれる水素や一酸化炭素によって生じる火炎温度は、ＬＮＧに比べて高い。特に、水素は可燃範囲が広いうえに燃焼速度が速く（燃えやすい）、爆発の危険性も高い。そのため、水素をガスタービン燃料として使用する場合、起動用に他種燃料を用いるのが一般的である。

また、高発熱量ガス（ＬＮＧ）と低発熱量ガス（ＬＮＧよりも発熱量の低いガス）をガスタービンに供給する場合、発熱量の低下に見合って燃料流量を増加させる必要がある。しかし、特許文献１では、高発熱量ガスと低発熱量ガスを合流させる三方弁と、三方弁の下流側に配置されるバーナーとの関係については開示されておらず、２種燃料による燃料流量の増加に対応することができなかった。

図１はガスタービン発電プラントの構成概略を示す。ガスタービン１は、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６およびガスタービン駆動用の起動用モーター８などで主に構成される。

燃焼器３の頭部には、燃料と空気を噴射・混合し低ＮＯｘ燃焼を行うためのバーナー５１が複数配置されている。燃焼器３に供給される燃焼空気１０２は空気圧縮機２で加圧された吐出空気である。燃焼空気１０２は、燃焼器３の燃焼室となる円筒状のライナー３ａと、圧力容器となる外筒１０との空間を流れてライナー３ａの表面を冷却するとともに、ライナー３ａの冷却用空気とバーナー５１の燃焼用空気に分配される。

燃焼器３には、ＬＮＧ２０１と、ＬＮＧよりも発熱量の低い水素を含む副生ガス２０２をそれぞれ供給する燃料ガス上流系統１１が設けられている。本実施例では、ＬＮＧ２０１が高発熱量燃料、副生ガス２０２が低発熱量燃料とする。２つの燃料ガス上流系統１１の下流側には、ＬＮＧ２０１と、水素を含む副生ガス２０２との切替えが可能な三方弁（切替弁）２０３が設けられており、三方弁の開度によって、いずれの燃料ガスも供給が可能となっている。三方弁に合流する各燃料ガス上流系統１１には、逆止弁２０１ａと２０２ａをそれぞれ備えており、各燃料ガス上流系統１１へ他種ガスの逆流を防止している。

三方弁２０３の下流側には単一の燃料系統が設けられており、その燃料系統に１つの燃料ガス圧力調節弁２０４が配置されている。燃料ガス圧力調節弁２０４は燃料ガス流量調節弁２１１の上流側圧力を調整するためのものである。燃料ガス流量の変化に伴い燃料ガス圧力調節弁２０４の開度を調整し、適正な値に調節している。燃料ガス圧力調節弁２０４の上流側に三方弁２０３を配置したことにより、いずれの燃料ガスも同一の燃料ガス圧力調節弁２０４にて対応可能である。

燃料ガス圧力調節弁２０４が配置された燃料系統は下流側で分岐され、それぞれのバーナー５１に対応する燃料ガス供給系統２１０が設けられている。バーナー５１に供給する燃料流量は、燃料ガス供給系統２１０に設けられた燃料ガス流量調節弁２１１によって調整が可能である。図１では、バーナーに供給する燃料ガス供給系統を２１０ａ〜２１０ｅの５系統で構成し、それぞれの系統に対応して燃料ガス流量調節弁２１１ａ〜２１１ｅと、配管パージ系統２１２ａ〜２１２ｅを備えた系統を示している。

以下、本プラントの動作について説明する。始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。燃焼器３は、空気圧縮機２の燃焼空気１０２と起動用燃料ガスであるＬＮＧ２０１が用いられ、パイロットバーナーの燃料ガス供給系統２１０ａからバーナー５１に供給されたＬＮＧ２０１に着火される。その後、燃焼ガス１１０がタービン４に供給され、ＬＮＧ２０１の流量の増加と共にタービン４が昇速する。そして、起動用モーター８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数に達する。ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後、発電機６の併入、さらにはパイロットバーナーへ通じる燃料ガス供給系統２１０ａの燃料流量の増加により、タービン４の入口ガス温度が上昇し、負荷が上昇する。その後、２１０ｂ〜２１０ｅまでの燃料流量を、燃料ガス流量調節弁２１１ｂ〜２１１ｅを用いながら順次所定の流量条件まで変化させることで、配置したバーナー５１全てに火炎が形成され、全バーナー燃焼による運用負荷範囲での連続的な負荷運転が可能となる。

次に、本実施例における、ＬＮＧと、水素を含む副生ガスとの燃料切替え、及び副生ガスの負荷運転について説明する。ここでは、ガスタービンの５０％負荷近傍で燃料ガスを切替えることを想定し、副生ガスはＬＮＧよりも単位質量あたりの発熱量が３０％程度低い、製鉄所で発生するコークス炉ガスを想定している。

ＬＮＧ２０１をバーナー５１に供給することで燃焼器を着火・起動した後、燃料流量の増加に伴いタービン４が昇速し、ガスタービンの無負荷定格回転数に到達する。無負荷定格回転数に到達した後は、燃料ガス供給系統２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃに備えた燃料ガス流量調節弁２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃによって燃料流量を順次調整することで、ガスタービンの部分負荷条件に達する。部分負荷条件に到達後は、三方弁２０３における現状の開度（ＬＮＧ系統全開，副生ガス系統全閉）を、逆の開度となるように徐々に変化させることで、２１０ａ〜２１０ｃの系統に副生ガスが供給可能となる。ここで、燃料ガス供給系統２１０ａ〜２１０ｃにはＬＮＧ２０１が流れていたため、副生ガス２０２に燃料種を切替えても、燃料配管内で副生ガス２０２が酸素と共存することはなく、窒素などによる配管パージは不要となる。但し、燃料ガス流量調節弁２１１ｄ，２１１ｅよりも下流側の配管内は空気で満たされている。そこで、三方弁２０３の開度調整を完了し、燃料をＬＮＧ２０１から副生ガス２０２に切替えた後は、燃料ガス供給系統２１０ｄの系統に燃料を供給するために、配管パージ系統２１２ｄより窒素を供給し配管をパージする必要がある。配管パージ系統２１２ｄによる配管パージ後、燃料ガス供給系統２１０ｄに副生ガスを供給することで、燃料切替えが完了する。さらに、燃料流量を増加させることで負荷が上昇すると、燃料ガス供給系統２１０ｅに副生ガスを供給する。この場合も、燃料ガス供給系統２１０ｄの時と同様に、窒素などによる配管パージが必要となる。燃料ガス供給系統２１０ｅへの燃料供給により、燃焼器３に配置したバーナー５１全てに火炎が形成され、全バーナー燃焼による副生ガスの連続的な負荷運転が可能となる。

次に、ガスタービン負荷に対する各燃料流量の変化を、図２（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図２（ａ）は、ＬＮＧのみを使用して、０％負荷から定格負荷までの各系統の燃料流量の変化を示したものである。横軸にガスタービン負荷、縦軸に燃料流量を示す。全燃料流量の増加に伴いガスタービンの負荷は上昇し、定格負荷条件の燃料流量が最も多くなる。燃料ガス供給系統２１０ａ〜２１０ｅにおける各系統の燃料流量をそれぞれ負荷条件に応じて変化させ、燃焼させるバーナー数を変化（図中のＡ〜Ｄの負荷）させることで、無負荷定格回転数から定格負荷まで運転することが可能となる。２１０ａ〜２１０ｅの全系統に燃料を供給する全バーナー燃焼によって、高負荷条件での低ＮＯｘ燃焼が可能となる。

図２（ｂ）は、ガスタービンの着火・起動から部分負荷条件までをＬＮＧにて運転した後、三方弁の切替えによりＬＮＧから副生ガスに切替えて運転するときの燃料流量の変化を示したものである。ガスタービン負荷Ａ及びＢの条件はＬＮＧにて運転し、ガスタービン負荷Ｃの条件でＬＮＧから副生ガスに燃料を切替えている。

副生ガスはＬＮＧに比べて発熱量が低い。そのため、副生ガスでＬＮＧと同一のガスタービン出力を得るには、発熱量低下に見合って、供給する燃料流量を増加させる必要がある。したがって、ＬＮＧから副生ガスに燃料を切替えた後は、同一の負荷条件でもＬＮＧに比べて燃料流量が増加することになる。燃料流量の増加によって、燃料ノズルの圧力損失が許容値を超えると、ＬＮＧと同じ圧力で副生ガスの必要流量を供給することが困難となり、供給圧力を高める必要が出てくる。この場合、供給圧力を高くするということは、ＬＮＧに比べてガス圧縮機の圧力仕様や制御弁などの機器仕様，燃料配管の仕様も変更することになり、大幅なコストアップにつながる。逆に、副生ガスの流量にバーナー内の燃料ノズルの仕様（開口面積）を合わせると、ＬＮＧ供給時の小流量条件で、燃料ノズルの圧力損失が小さくなりすぎるため、流量偏差により不安定燃焼が発生する恐れがある。したがって、燃料ノズルの圧力損失［圧力比：（燃料ノズル前圧）／（燃焼器圧力）］を適正範囲内におさめる必要がある。特に、ガスタービンの着火から定格負荷まで運用する燃料ガス供給系統２１０ａ（パイロットバーナーの系統）は、燃料流量の変化範囲が大きいために注意が必要である。このため、本実施例では、ＬＮＧと副生ガスの燃料の切替えはガスタービン負荷Ｃの条件で実施している。

以上説明したように、２種類の燃料の発熱量差が３０％以内の場合、本実施例で示すように、ガスタービン負荷Ｃの条件よりも高負荷において、ＬＮＧと副生ガスの両方の燃料で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。さらに発熱量差が大きくなる場合や、現状よりも燃料ノズルの圧力比を低下させる場合は、以下に示すような方法が考えられる。

図３は実施例２におけるガスタービン発電プラントの構成概略を示したものである。本実施例では、パイロットバーナーに供給する燃料ガス供給系統を、燃料ガス供給系統２１０ａ及び副生ガス専用系統２１０ｆで対応するものである。副生ガス専用系統２１０ｆは副生ガスのみを流す専用系統であり、燃焼器内に配置した副生ガス専用のバーナー５１ａに通じている。副生ガス専用系統２１０ｆには、燃料ガス流量調節弁２１１ｆと、その上流に燃料のリークを防止するための開閉弁２１１ｆａを備え、それらを燃料ガス圧力調節弁２０４の下流に接続することで、圧力調節弁を共有することができる。また、燃料ガス流量調節弁２１１ｆの下流には、燃料配管内にパージ用の窒素を供給するための配管パージ系統２１２ｆが接続されている。

ＬＮＧ専焼では、燃料ガス供給系統２１０ａ〜２１０ｅの燃料流量を負荷に応じて調整することで、定格負荷までの運転が可能となる。ＬＮＧ２０１から副生ガス２０２に燃料を切替える運転方法は、基本的には実施例１と同様である。本実施例では、図４（ｂ）で後述するように、ガスタービンの５０％負荷近傍にて、三方弁２０３の開度を調整することで、燃料ガス供給系統２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃへ副生ガス２０２が供給される。このとき、燃料ガス供給系統２１０ｄ，２１０ｅ及び副生ガス専用系統２１０ｆの燃料ガス流量調節弁より下流側の燃料配管は空気が充満しているため、水素を含む副生ガス２０２を供給する前に、配管パージ系統による配管内のパージが必要となる。副生ガス専用系統２１０ｆでは、ガスタービンの５０％負荷近傍で副生ガスを供給する。そのため、配管のパージが完了した後、副生ガス専用系統２１０ｆの開閉弁２１１ｆａを開け、燃料ガス流量調節弁２１１ｆを徐々に開けることで副生ガスを供給することが可能となる。５つの燃料ガス供給系統と並列に配置された、副生ガス専用系統を設けたことで、副生ガスを供給した際、燃料ノズルの圧力損失を増加させることなく運転することが可能となる。また、ＬＮＧ専焼のときには、副生ガス専用系統は使用しないために、燃料ノズルの圧力損失を増加させずに運転することが可能となる。なお、副生ガス専用系統の開閉弁２１１ｆａは、ＬＮＧ専焼時に副生ガス専用系統２１０ｆへのＬＮＧのリークを防止している。

次に、本実施例における燃料流量の変化を、図４（ａ）及び図４（ｂ）にそれぞれ示す。図４（ａ）は、ＬＮＧのみでガスタービンの着火から定格負荷まで運転したときの燃料流量の変化を示したものである。ＬＮＧのみを使用する場合、副生ガス専用系統２１０ｆは使用しないため、図２（ａ）と同様の燃料流量の変化となり、詳細な説明は省略する。

一方、図４（ｂ）は、本実施例におけるガスタービン負荷と燃料流量の関係（副生ガスによる負荷運転）を示したものである。ガスタービン負荷Ｃの条件に到達するまではＬＮＧにて運転し、燃料ガス供給系統２１０ａ，２１０ｂ、及び２１０ｃを用いて、負荷に応じて燃料流量を調整する。その後、三方弁の切替え操作により燃料ガス供給系統２１０ａ〜２１０ｃに副生ガスを供給すると同時に、燃料ガス供給系統２１０ｄと副生ガス専用系統２１０ｆの窒素による配管パージを実施する。配管パージ後、２１０ｄと２１０ｆに供給する副生ガスの燃料流量を増加することにより、燃料切替えが完了する。その後、ガスタービン負荷Ｄの条件にて、燃料ガス供給系統２１０ｅより燃料を供給することで、燃焼器では全バーナー燃焼による低ＮＯｘでの高負荷運転が可能となる。当然のことながら、２１０ｅの燃料を供給する前に配管パージを実施する必要がある。今回、副生ガス専用系統２１０ｆを設けたことで、２１０ｆ以外のＬＮＧと共有する系統（特に燃料ガス供給系統２１０ａ）では、燃料ノズルの圧力損失が大幅に増加することはない。

図５は実施例３におけるガスタービン発電プラントの構成概略を示したものである。実施例１と本実施例との相違は、パイロットバーナーに通じる燃料系統が、燃料ガス供給系統２１０ａを更に２系統に分岐されたことである。具体的には、燃料ガス流量調節弁２１１ａの下流において、燃料ガス供給系統２１０ａを第１の系統４１０ａと第２の系統３１０ａとに分岐している。第２の系統３１０ａには遮断弁３１１ａを設け、燃料の種類とガスタービン負荷に応じて開閉する。本実施例では、実施例２よりもパイロットバーナーの開口面積を大きくし、副生ガスを供給したときの燃料ノズルの圧力比が適正値内に入るように、燃料ノズルの開口面積を調整することを前提としている。

本実施例におけるガスタービン負荷と燃料流量の関係を、図６（ａ）及び図６（ｂ）にそれぞれ示す。図６（ａ）は、ＬＮＧ運転における０％負荷から１００％負荷の燃料流量の変化を示したものである。燃料ガス供給系統２１０ａの系統は途中で２系統に分岐しており、ガスタービン負荷Ａ及びＢの条件では、遮断弁３１１ａを開けて運用する。ガスタービン負荷Ｃの条件に到達後、燃料ガス供給系統２１０ａの燃料流量が少なくなるために、燃料ガス供給系統２１０ｂ〜２１０ｄに燃料を供給すると同時に遮断弁３１１ａを閉めて運用する。前述の運用によって、ガスタービン負荷Ｃ及びＤのように燃料ガス供給系統２１０ａが低流量の条件でも、燃料ノズルの圧力比を確保することが可能となる。この場合、実施例１及び２よりも、燃料ガス供給系統２１０ａに通じる燃料ノズルの開口面積を大きくすることになる。ガスタービン負荷Ｃよりも高負荷の条件では、前述の燃料流量の制御方法と同様である。

図６（ｂ）は、副生ガスを供給するときの燃料流量変化を示す。ＬＮＧ専焼では、燃料ガス供給系統２１０ａの燃料流量が少なくなるガスタービン負荷Ｃ〜１００％負荷の範囲において、燃料ガスの遮断弁３１１ａを閉めて運用した。副生ガスの場合、ＬＮＧに比べ燃料流量が多くなるために、遮断弁３１１ａを開けたまま運転しても燃料ノズルにおける所定の圧力比を確保することができる。すなわち、ＬＮＧ専焼におけるガスタービン負荷Ｃ〜１００％負荷の範囲のみ遮断弁３１１ａを閉めて運用し、それ以外のガスタービン負荷及び燃料種条件では、遮断弁３１１ａを開けて運用する。このような運用により、いずれの燃料ガスを供給したときも、燃料ノズルの適正な圧力を確保することが可能となり、低ＮＯｘでの運転が可能となる。

実施例１における発電プラントの系統概略図である。 実施例１におけるガスタービン負荷に対するＬＮＧ及び副生ガスの流量変化を示す図である。 実施例２における発電プラントの系統概略図である。 実施例２におけるガスタービン負荷に対するＬＮＧ及び副生ガスの流量変化を示す図である。 実施例３における発電プラントの系統概略図である。 実施例３におけるガスタービン負荷に対するＬＮＧ及び副生ガスの流量変化を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 空気圧縮機
３ 燃焼器
３ａ ライナー
４ タービン
６ 発電機
８ 起動用モーター
１０ 外筒
１１ 燃料ガス上流系統
５１，５１ａ バーナー
１０２ 燃焼空気
１１０ 燃焼ガス
２０１ ＬＮＧ
２０２ 副生ガス
２０１ａ，２０２ａ 逆止弁
２０３ 三方弁（切替え弁）
２０４ 燃料ガス圧力調節弁
２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄ，２１０ｅ 燃料ガス供給系統
２１０ｆ 副生ガス専用系統
２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆ 燃料ガス流量調節弁
２１１ｆａ 燃料ガス遮断弁（開閉弁）
２１２ａ〜２１２ｆ 配管パージ系統

Claims (4)

1. 発熱量の異なる２種類の燃料ガスを供給する２つの燃料ガス上流系統と、
   ２つの該燃料ガス上流系統を合流させる三方弁と、
   該三方弁を通じて供給された前記燃料ガスが分岐され、前記燃料ガスを燃焼室に供給する複数の燃料ガス供給系統と、
   それぞれの該燃料ガス供給系統に対応し、前記燃料ガス供給系統から供給された燃料ガスを燃焼室に噴出する複数のバーナーと、
   前記燃料ガス供給系統と並列に配置された低発熱量燃料の専用系統と、
   前記専用系統から供給された低発熱量燃料を燃焼室に噴出する低発熱量燃料の専用バーナーと、
   該専用系統に、前記低発熱量燃料の流量を調節する燃料ガス流量調節弁と、該流量調節弁の上流側に設置された遮断弁と、
   該燃料ガス流量調節弁の下流側に設置された配管パージ系統とを備えたことを特徴とする燃焼器。
2. 発熱量の異なる２種類の燃料ガスを供給する２つの燃料ガス上流系統と、
   ２つの該燃料ガス上流系統を合流させる三方弁と、
   該三方弁を通じて供給された前記燃料ガスの圧力を調節する燃料ガス圧力調節弁と、
   該燃料ガス圧力調節弁を通じて供給された前記燃料ガスが分岐され、前記燃料ガスを燃焼室に供給する複数の燃料ガス供給系統と、
   それぞれの該燃料ガス供給系統に設置され、燃料ガス流量を調節する燃料ガス流量調節弁と、
   それぞれの該燃料ガス供給系統に対応し、前記燃料ガス供給系統から供給された燃料ガスを燃焼室に噴出する複数のバーナーと、
   前記燃料ガス供給系統と並列に配置された低発熱量燃料の専用系統と、
   前記専用系統から供給された低発熱量燃料を燃焼室に噴出する低発熱量燃料の専用バーナーと、
   該専用系統に、前記低発熱量燃料の流量を調節する燃料ガス流量調節弁と、該流量調節弁の上流側に設置された遮断弁と、
   該燃料ガス流量調節弁の下流側に設置された配管パージ系統とを備えたことを特徴とする燃焼器。
3. 請求項１記載の燃焼器であって、
   前記燃料ガスの一つは液化天然ガス（ＬＮＧ）であり、他の前記燃料ガスはＬＮＧよりも発熱量の低い製油所などで発生するオフガス、あるいは鉄鋼製品の製造過程で発生するコークス炉ガスなど、水素や一酸化炭素を含む混合ガスであることを特徴とする燃焼器。
4. 請求項２記載の燃焼器であって、
   複数の前記燃料ガス供給系統のうち、１つの前記燃料ガス供給系統は、前記燃料ガス流量調節弁の下流側で分岐された分岐系統と、該分岐系統に設けられた遮断弁とを備えたことを特徴とする燃焼器。

Images