JP2008274862A - ガスタービンシステム及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料を用いる場合でも窒素酸化物の発生を低減させることができるガスタービンシステム及び発電システムを提供する。
【解決手段】燃焼器４を備えるガスタービン本体１と、軽油を供給する燃料タンク５と、廃熱回収ボイラ８を介してガスタービン本体１から供給される排気ガスを昇圧する排気ガス圧縮機１０とを具備し、排気ガス圧縮機１０からの排気ガスに燃料タンク５からの軽油を混合することによりこの軽油を蒸発させて燃焼器４に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービンシステム及び発電システムに関し、特に、液体燃料を燃焼してガスタービンを運転させる場合に適用して有用なものである。

火力発電所等ではガスタービンコンバインドサイクル発電システムが採用されている。この発電システムは、ガスタービンと蒸気タービンとを備えており、ガスタービンは、燃料を燃焼した際に生じる高温高圧のガスにより発電機を稼動させ、蒸気タービンは、ガスタービンから排出される排気ガスの熱により生成される蒸気を用いて発電機を稼動させている。

このような発電システムでは、例えば天然ガスなどの気体燃料を燃焼器で燃焼し、これにより生じた高温高圧のガスをガスタービンに供給しているが、昨今では環境に対する影響や各種規制に対応するために、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を極力低減するために種々の対策が採られている。

一般に、ガスタービンから排出される窒素酸化物は、生成速度の温度依存性が非常に高いサーマルＮＯｘ生成機構によって生成されるものが大きな割合を占めていることがよく知られている。例えば、拡散燃焼（燃料と空気の混合と同時に燃焼反応が起こる燃焼形態をいう。）時においては、局所的な高温場が形成されやすいので、窒素酸化物の生成量は増大する傾向にある。

したがって、天然ガスなどの気体燃料を燃料として使用するガスタービンを用いる発電システムにおいては、過剰な割合の空気を燃焼させる前に燃料と混合しておく燃焼形態、いわゆる希薄予混合燃焼を行うことで窒素酸化物の発生を抑えている。

一方、燃料のコストや、燃料の容積や、燃焼器の種別などの諸条件により、気体燃料ではなく液体燃料が用いられる場合がある。液体燃料を用いる場合、噴霧微粒化された液体燃料が燃焼器のバーナ近傍に向けて噴射されるが、液体燃料が完全に蒸発する前にバーナの火炎に到達し、蒸発しきらなかった燃料液滴の周囲に高温の拡散火炎が形成される。つまり気体燃料の拡散燃焼と同様のことが生じるので、窒素酸化物の発生を抑制することが難しい。このような問題を解決するために、予め液体燃料の蒸発を促進させ、過剰な空気と予混合することで高温の拡散火炎の形成を抑制し、これにより窒素酸化物の生成を抑える技術がある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のガスタービン用燃料供給装置では、熱交換器や加熱器を介して液体燃料を加熱しているので液体燃料は十分に蒸発せず、この結果、窒素酸化物の生成を抑えられない場合がある。また、別に熱源を必要とする加熱器を使用する場合は加熱器用の燃料使用量分のエネルギー損失が発生する。他に、燃焼器に水蒸気を供給することで燃焼温度を下げ、窒素酸化物の発生を抑制する方法も実用化されているが、膨大な量の水を供給するための費用が生じる上、十分に精製された水蒸気を供給する必要があるため、この水の精製処理に係る費用も生じるという問題がある。

特開平９−１７７５６８号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、液体燃料を用いる場合でも窒素酸化物の発生を低減させることができるガスタービンシステム及び発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、燃焼器を備えるガスタービン本体と、液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記液体燃料が蒸発する温度以上であり且つ所定圧力の高温ガスを供給する高温ガス供給手段とを具備し、前記高温ガス供給手段からの高温ガスに前記燃料供給手段からの液体燃料を混合することによりこの液体燃料を蒸発させて前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービンシステムにある。

かかる第１の態様では、燃料供給手段から供給される液体燃料は、燃焼器に供給される前に高温ガスと混合されるので、液体燃料の蒸発が促進される。この結果、ガスタービンの燃焼器には蒸発した状態の液体燃料が供給されるため、部分的な希薄予混合火炎の形成が容易になり、高温の拡散火炎の形成が抑制され、窒素酸化物の生成を抑制することができる。なお、液体燃料が完全に蒸発しない場合であっても、火炎に到達するまでに蒸発しきらない燃料の割合が減るため、高温の拡散火炎の形成を抑制できる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するガスタービンシステムにおいて、前記高温ガス供給手段は、前記ガスタービン本体からの排気ガスを昇圧して供給するように構成されたことを特徴とするガスタービンシステムにある。

かかる第２の態様では、ガスタービンからの高温の排気ガスを用いて液体燃料の蒸発を促進しているので加熱器などの特別な熱源を用意する必要はなく、ガスタービンシステム全体でエネルギーを効率的に利用することができる。また、酸素濃度が低い排気ガス中に蒸発した液体燃料が混合されるため、この蒸発した液体燃料の自己着火を抑制することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載するガスタービンシステムにおいて、前記液体燃料を蒸発させた後に、空気を前記蒸発燃料に混合することにより希薄予混合気を生成し、この希薄予混合気を前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービンシステムにある。

かかる第３の態様では、蒸発した液体燃料をガスタービンの燃焼器に供給する前において、蒸発した液体燃料を圧縮空気に混合して希薄予混合気を形成するので、ガス燃料を用いて希薄予混合燃焼を行うのと同様に、窒素酸化物の発生を抑えることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載するガスタービンシステムにおいて、前記ガスタービン本体からの排気ガスは、当該ガスタービンシステム系統内の他の低温部の流体と熱交換されることにより前記排気ガスの温度が低下した後、前記高温ガス供給手段に供給されるように構成されたことを特徴とするガスタービンシステムにある。

かかる第４の態様では、ガスタービン本体からの排気ガスはその温度が低下された後、高温ガス供給手段に供給される。これにより、高温ガス供給手段が排気ガスを所定圧力に昇圧するのに要する動力を低減することができる。また、排気ガスの温度を低下させる手段としては、ガスタービン系統の低温部との間で行われる熱交換であるので、排気ガスから回収した熱を有効利用することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか一つの態様に記載するガスタービンシステムにおいて、前記ガスタービン本体からの排気ガスを熱源とする廃熱回収ボイラを具備し、前記高温ガス供給手段は、前記廃熱回収ボイラを介して前記ガスタービン本体から供給される排気ガスを昇圧して供給するように構成されたことを特徴とするガスタービンシステムにある。

かかる第５の態様では、ガスタービン本体からの排気ガスを廃熱回収ボイラの熱源としても用いることができる。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか一つの態様に記載するガスタービンシステムと、前記ガスタービン本体により駆動される発電機とを具備する発電システムにある。

かかる第６の態様では、窒素酸化物の発生を低減した発電システムを構成することができる。

本発明の第７の態様は、第５の態様に記載するガスタービンシステムと、前記廃熱回収ボイラにより生成される蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービン本体及び前記蒸気タービンにより駆動される発電機とを具備するコンバインドサイクル発電システムにある。

かかる第７の態様では、窒素酸化物の発生を低減したコンバインドサイクル発電システムを構成することができる。

本発明によれば、液体燃料を燃焼する燃焼器を備えるガスタービンを用いる場合においても、液体燃料を蒸発させて燃焼するため、部分的な希薄予混合火炎の形成が容易になり、燃焼器において高温の拡散火炎の形成が抑制される。この結果、窒素酸化物の生成を抑制することができる。特に、本発明は液体燃料を蒸発させるに際し、ガスタービンの排気ガス中に液体燃料を直接的に混合することができるため排気ガスの熱エネルギーを効率的に利用することが可能となり、これにより液体燃料を十分に蒸発させることができる。なお、液体燃料が完全に蒸発しない場合であっても、火炎に到達するまでに蒸発しきらない燃料の割合が減るため、高温の拡散火炎の形成を抑制し、そして窒素酸化物の生成も抑制できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。本実施形態のコンバインドサイクル発電システム（以下、単に「発電システム」と称する。）は、ガスタービン本体１及び蒸気タービン本体２と、これらのタービンにより駆動される発電機３とを具備している。

ガスタービン本体１は、燃焼器４を備えており、この燃焼器４で生じた高温高圧の燃焼ガスのエネルギーを回転軸出力に変換し、この出力により発電機３を駆動するように構成されている。

燃焼器４には、液体燃料の一例である軽油を貯留する燃料タンク５（燃料供給手段）が予蒸発器７を介して接続されている。燃料タンク５より供給される軽油は予蒸発器７により蒸発されて燃焼器４に供給されるように構成されている。この予蒸発器７により軽油を蒸発させることについての詳細は後述する。さらに燃焼器４には、空気圧縮機６が接続されている。空気圧縮機６は空気を取り込んで圧縮して燃焼器に圧縮空気を供給している。

このように構成された燃焼器４は、予蒸発器７からの蒸発した軽油を燃焼室内に供給すると共に空気圧縮機６からの圧縮空気を燃焼室内に取り込み、この燃料をバーナで燃焼する。そして、この燃焼により生じた高温高圧の燃焼ガスをガスタービン本体１に供給する。

また、本実施形態の発電システムには、廃熱回収ボイラ８が設置されており、ガスタービン本体１からの排気ガスが供給されるようにガスタービン本体１と接続されている。一方、廃熱回収ボイラ８には蒸気タービン本体２で仕事をした蒸気が復水器９により復水されて供給されている。廃熱回収ボイラ８は、ガスタービン本体１からの排気ガス（例えば摂氏５００〜６００度、大気圧程度である。）と復水器９からの水とを熱交換させて当該水を加熱し、高温蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービン本体２に供給している。

予蒸発器７は、高温ガス供給手段から供給された高温ガスと燃料タンク５から供給された軽油とを混合させ、高温ガスの熱により軽油の蒸発を促進させるものである。

本実施形態では、高温ガス供給手段は、ガスタービン本体１と排気ガス圧縮機１０とから構成されている。詳言すると、ガスタービン本体１から排出される排気ガスが、廃熱回収ボイラ８を介して排気ガス圧縮機１０に供給されるように構成されている。そして、排気ガス圧縮機１０は、供給された排気ガスを所定圧力にまで昇圧し、予蒸発器７に供給するように構成されている。このような構成の高温ガス供給手段により、予蒸発器７にはガスタービン本体１からの排気ガスが高温ガスとして供給される。なお、この高温ガスとは軽油が蒸発する温度以上であり且つ所定圧力のものをいい、所定圧力とは予蒸発器７内の圧力と同等以上の圧力をいう。このように排気ガス圧縮機１０が排気ガスを所定圧力にまで昇圧することにより、高温ガスが連続的に予蒸発器７に供給され、予蒸発器７内を流れて燃焼器４に流れ出ることにより、予蒸発器７内で蒸発した軽油が円滑に燃焼器４に供給される。

また、予蒸発器７は、燃料タンク５からの軽油が噴霧により微粒化して予蒸発器７に供給されるように構成されている。

このように予蒸発器７を構成することにより、燃料タンク５からの軽油は、予蒸発器７に充満した高温の排気ガス（高温ガス）中に噴霧されるので、微硫化した軽油の蒸発が促進される。この結果、燃焼器４には蒸発した状態の軽油が供給されるため、部分的な希薄予混合火炎の形成が容易になり、高温の拡散火炎の形成が抑制され、窒素酸化物の生成を抑制することができる。特に、本実施形態においては、ガスタービン本体１からの高温の排気ガスを用いて軽油の蒸発を促進しているので加熱器などの特別な熱源を用意する必要はなく、本実施形態に係る発電システムを合理的に構成することができる。なお、軽油は予蒸発器７にて完全に蒸発することが最も望ましいが、必ずしも完全に蒸発する必要はない。軽油が完全に蒸発しない場合であっても、予蒸発器７にて軽油の蒸発を促進させているので、燃焼器４の火炎に到達するまでに蒸発しきらない軽油の割合が減り、その分高温の拡散火炎の形成を抑制できる。

＜実施形態２＞
実施形態１に係るコンバインドサイクル発電システムでは、ガスタービン本体１からの排気ガスが廃熱回収ボイラ８を介して排気ガス圧縮機１０に供給されていたが、これに限定されず、ガスタービン本体１から排気ガス圧縮機１０に直接的に排気ガスを供給してもよい。図２は、実施形態２に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また実施形態２に係るコンバインドサイクル発電システムも以降「発電システム」と称する。

図２に示すように、実施形態２に係る発電システムは、ガスタービン本体１Ａから排気ガス圧縮機１０Ａに直接的に排気ガスを供給し得るように構成されている点において、実施形態１に係る発電システムと異なっている。具体的には、本実施形態に係る発電システムには、ガスタービン本体１Ａの燃焼ガスの流路から分岐して排気ガス圧縮機１０Ａに接続するバイパス路１１が設けられている。

これにより、ガスタービン本体１Ａは、高温高圧の燃焼ガスが燃焼器４から供給されて発電機３を駆動する一方、ガスタービン本体１Ａで十分に仕事をし得る高圧の燃焼ガスが排気ガスとして排気ガス圧縮機１０Ａに供給される。

この結果、排気ガス圧縮機１０Ａには、高圧を維持した状態の排気ガスが供給されることになるので、排気ガス圧縮機１０Ａが排気ガスを所定圧力にまで昇圧するのに要する動力を低減することができる。特に、実施形態１においては、廃熱回収ボイラ８から排気ガス圧縮機１０に供給される排気ガスの圧力はほぼ大気圧であるので、本実施形態の排気ガス圧縮機１０Ａに要する動力の低減の効果は、実施形態１に比較して著しいものである。

なお、排気ガス圧縮機１０Ａに要する動力を低減するために、ガスタービン本体１Ａからの排気ガスの温度を下げた後、この排気ガスを排気ガス圧縮機１０Ａに供給するように構成してもよい。本実施形態では、排気ガスの温度を下げる手段として熱交換器等を用いる。これにより排気ガスから熱を回収してこの温度を下げる一方、回収した熱を有効利用することができる。

具体的には、ガスタービン本体１Ａからの排気ガスを、本実施形態に係るガスタービンシステム系統の低温部の流体との間で熱交換器等（図示せず）を用いて熱交換させる。この低温部の流体の例としては、復水器９と廃熱回収ボイラ８Ａとを接続する管路２０に流れる水を挙げることができる。この管路２０の水とバイパス路１１の排気ガスとの間で熱交換されるように熱交換器を配設することにより、ガスタービン本体１Ａから排出される排気ガスの温度を低下させることができる。

また、他の低温部の流体の例としては、空気圧縮機６と燃焼器４とを接続する管路２１に流れる空気や、排気ガス圧縮機１０Ａと予蒸発器７とを接続する管路２２に流れる排気ガス（高温ガス）がある。この管路２１の空気とバイパス路１１の排気ガスとを熱交換させ、若しくは、管路２２の排気ガスとバイパス路１１の排気ガスとの間で熱交換されるようにそれぞれ熱交換器等を配設することにより、ガスタービン本体１Ａから排出される排気ガスの温度を低下させることができる。

本実施形態では、管路２０〜２２のそれぞれとバイパス路１１とにそれぞれ１つずつ、計３つの熱交換器を配設し得るが、３つの熱交換器を全て同時に設ける必要は無く、３つの熱交換器のうち１つ又は２つを選択して配設してもよい。ただし、排気ガス圧縮機１０Ａと予蒸発器７とを接続する管路２２の排気ガスとバイパス路１１の排気ガスとを熱交換させる場合は、少なくとも、もう一つの他の低温部の流体とバイパス路１１の排気ガスとを熱交換させる必要がある。このような場合の好適な例としては、バイパス路１１のガスタービン本体１Ａに近いほうには、管路２２の排気ガスと熱交換するよう熱交換器を配設し、一方、バイパス路１１の排気ガス圧縮機１０Ａに近いほうには、管路２０の水と熱交換するよう熱交換器を配設する、というパターンを挙げることができる。これにより、排気ガス圧縮機１０Ａに要する動力を低減しつつ、予蒸発器７に供給される排気ガスの温度を高温に保つことができる。

勿論、上記の好適な例以外の熱交換器の組合せであっても、ガスタービン本体１Ａからの排気ガスはバイパス路１１においてはその温度が低下するので、排気ガス圧縮機１０Ａで要する動力を低減することができる。さらに、このときバイパス路１１において回収された排気ガスの熱は、管路２０〜２２の水・空気・排気ガスの加熱に用いられるので、熱エネルギーを無駄にすることがないという効果を奏する。なお、低温部は上記３つの管路２０〜２２には限定されず、バイパス路１１の排気ガスの温度よりも低温の部位であればよい。

＜実施形態３＞
実施形態１に係るコンバインドサイクル発電システムでは、予蒸発器７から燃焼器４に蒸発した軽油が供給されていたが、これに限定されず、この軽油に空気を混合して希薄予混合気を生成してもよい。これにより、いわゆる希薄予混合燃焼を行うことができ、窒素酸化物の低減が可能になる。

図３は、実施形態３に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また実施形態３に係るコンバインドサイクル発電システムも以降「発電システム」と称する。

図３に示すように、実施形態３に係る発電システムは、燃焼器４と空気圧縮機６との間に希薄予混合気形成室１２が設けられている点において、実施形態１に係る発電システムと異なっている。具体的には、希薄予混合気形成室１２は、空気圧縮機６からの圧縮空気が供給される一方、予蒸発器７により蒸発した軽油と排気ガス圧縮機１０により昇圧された排気ガスとが混合したものである混合ガスが供給されるように構成されている。

これにより、希薄予混合気形成室１２では、前記混合ガスに圧縮空気がさらに混合するので、希薄予混合気が形成される。そしてこの希薄予混合気が燃焼器４に供給されて燃焼されるので、窒素酸化物の発生を抑えることができる。

このように、本実施形態に係る発電システムでは、蒸発した軽油を燃焼器４に供給する前に、蒸発した軽油を圧縮空気に混合して希薄予混合気を形成するので、ガス燃料を用いて希薄予混合燃焼を行うのと同様に、窒素酸化物の発生を抑えることができる。

＜他の実施形態＞
実施形態２に係る発電システムでは、ガスタービン本体１Ａから排気ガス圧縮機１０Ａに直接的に排気ガスを供給した。また、実施形態３に係る発電システムでは、希薄予混合気形成室１２を設けたが、これらの発電システムを複合した発電システムであってもよい。

すなわち、ガスタービン本体１から排気ガス圧縮機１０に直接的に排気ガスが供給されるようにバイパス路１１を設けると共に、予蒸発器７により蒸発された軽油に空気圧縮機６により圧縮された圧縮空気を混合させる希薄予混合気形成室１２を設け、希薄予混合気形成室１２で形成された希薄予混合気が燃焼器４に供給されるように構成する。この場合においても、実施形態２〜実施形態３と同様に、排気ガス圧縮機１０が要する動力を低減することが可能となり、且つ希薄予混合燃焼による窒素酸化物の発生を一層低減させることができる。

なお、実施形態１〜実施形態３においては、ガスタービン本体１と蒸気タービン本体２とを具備するコンバインドサイクル発電システムについて説明をしたが、これに限定されない。例えば、ガスタービン本体１のみが発電機３を駆動する発電システムにおいても本発明に係るガスタービンシステムを適用し得る。また、液体燃料としては軽油を用いた場合について説明したが、もちろん、これに限定されず、重油や灯油、植物油、アルコール類なども用いることができる。

実施形態１に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。 実施形態２に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。 実施形態３に係るガスタービンシステムを具備するコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。

符号の説明

１、１Ａ ガスタービン本体
２ 蒸気タービン本体
３ 発電機
４ 燃焼器
５ 燃料タンク
６ 空気圧縮機
７ 予蒸発器
８、８Ａ 廃熱回収ボイラ
９ 復水器
１０、１０Ａ 排気ガス圧縮機
１１ バイパス路
１２ 希薄予混合気形成室

Claims (7)

1. 燃焼器を備えるガスタービン本体と、
   液体燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記液体燃料が蒸発する温度以上であり且つ所定圧力の高温ガスを供給する高温ガス供給手段とを具備し、
   前記高温ガス供給手段からの高温ガスに前記燃料供給手段からの液体燃料を混合することによりこの液体燃料を蒸発させて前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載するガスタービンシステムにおいて、
   前記高温ガス供給手段は、前記ガスタービン本体からの排気ガスを昇圧して供給するように構成されたことを特徴とするガスタービンシステム。
3. 請求項１又は請求項２に記載するガスタービンシステムにおいて、
   前記液体燃料を蒸発させた後に、空気を前記蒸発燃料に混合することにより希薄予混合気を生成し、この希薄予混合気を前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービンシステム。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載するガスタービンシステムにおいて、
   前記ガスタービン本体からの排気ガスは、当該ガスタービンシステム系統内の他の低温部の流体と熱交換されることにより前記排気ガスの温度が低下した後、前記高温ガス供給手段に供給されるように構成されたことを特徴とするガスタービンシステム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載するガスタービンシステムにおいて、
   前記ガスタービン本体からの排気ガスを熱源とする廃熱回収ボイラを具備し、
   前記高温ガス供給手段は、前記廃熱回収ボイラを介して前記ガスタービン本体から供給される排気ガスを昇圧して供給するように構成されたことを特徴とするガスタービンシステム。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載するガスタービンシステムと、
   前記ガスタービン本体により駆動される発電機とを具備する発電システム。
7. 請求項５に記載するガスタービンシステムと、
   前記廃熱回収ボイラにより生成される蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記ガスタービン本体及び前記蒸気タービンにより駆動される発電機とを具備するコンバインドサイクル発電システム。

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