JP4081439B2 - ガスタービン用バーナの運転方法と原動所設備 - Google Patents

Description

本発明は、化石燃料をガス化し、該燃料を合成ガスとしてガスタービンに付属したバーナに燃焼用に供給するガスタービン用バーナの運転方法に関する。本発明はまた、特にこの方法を実施するための、少なくとも１つのバーナを備えた燃焼器が付属するガスタービンと、燃焼器に前置接続された燃料系とを備え、該燃料系が化石燃料のガス化装置と、このガス化装置から出て燃焼器に開口するガス管とを含む原動所設備に関する。

化石燃料ガス化統合形のガス蒸気複合タービン設備は、通常燃料のガス化装置を含む。この装置は、出口側が多数のガス浄化用構成要素を経て、ガスタービンの燃焼器に接続されている。そのガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラが後置接続され、該ボイラの加熱器は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。かかる設備は、例えば英国特許出願公開第２２３４９８４号又は米国特許第４６９７４１５号明細書で公知である。

ガス化化石燃料や合成ガスの燃焼に伴う有害物質の発生量を減少すべく、ガス管に飽和器が接続され、ガス蒸気複合タービン設備の運転中、飽和器において合成ガスに水蒸気が注入される。そのために、ガス化燃料は飽和器を、飽和器回路と呼ばれる水回路内を導かれる水流と対向流で貫流する。その場合、特に高い効率を得るために、ガス蒸気複合タービン設備の水・蒸気回路からの熱が飽和器回路に入れられる。

ガス化燃料は、飽和器において飽和器回路内を導かれる加熱済み水流と接触することにより水蒸気で飽和され、一定の範囲内で加熱される。熱力学的および運転上の理由から、その燃料をガスタービンの燃焼器に供給する前になお加熱する必要がある。

独国特許出願公開第１９８３２２９３号明細書は、ガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラを後置接続したガス蒸気複合タービン設備を開示している。そのボイラの加熱器は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。ガスタービンの燃焼器に対する化石燃料を統合的にガス化すべく、燃料ガス化装置が燃料管を経て燃焼器に前置接続されている。特に高い設備効率を得るため、燃料管にガス化装置と飽和器との間で、窒素を混入するための混合装置に加えて、熱交換器の一次側を接続し、その熱交換器の二次側を、飽和器と燃焼器との間で同様に燃料管に接続している。

独国特許出願公開第１９８３２２９３号明細書に記載のガス蒸気複合タービン設備は、国際公開第００／２０７２８号パンフレットに由来する。そこに記載されたガス蒸気複合タービン設備は、化石燃料として油を利用する場合も、特に高い設備効率で運転される。

そのために、国際公開第００／２０７２８号パンフレットの場合、燃料管に、ガス化燃料の流れ方向に見てガス化燃料に窒素を混入するための混合装置の上流で、熱交換器の一次側を接続している。該熱交換器の二次側は流れ媒体に対する蒸発器を形成し、熱交換器の蒸気側をガスタービンの燃焼器に接続している。

ガス蒸気複合タービン設備の特に安全な運転を保証すべく、いつでも、ガスタービンの燃焼器への合成ガスの供給を停止できねばならない。そのため、通常ガス管に、燃焼器の上流で非常止め弁を接続している。その弁は、必要ならガスタービンに付属する燃焼器に合成ガスが到達しないよう、ガス管を特に瞬時に閉鎖する。

燃料系は、当該安全技術基準に基づき、通常ガス封じ装置を含む。該装置は２つの弁、例えばガス貫流路を開閉する球形弁を有する。これら両弁間に、中間放圧管又は圧力管を接続している。その放圧管は、余剰ガスを燃やすトーチに接続されている。中間放圧管の代わりに、ガスがガス封じ弁を経て流入しないように作用する圧力管が接続されている。即ちガス封じ装置は、第１範囲における燃料系、ガス封じ装置の上流で第２範囲のガス化系、又はガス封じ装置の下流で所謂ガスタービン・燃料系を気密に分離する。

ガス化装置付きガス蒸気複合タービン設備は、例えば石炭や産業残滓や廃棄物から生じた合成ガス並びに例えば天然ガスや油等の第２燃料で運転される。合成ガスから第２燃料に或いはその逆に切り換える際、安全技術上の理由から、ガス封じ装置と燃焼器の間の範囲、即ちガスタービン燃料系を、窒素や蒸気等の不活性媒体で洗浄する必要がある。

ガス蒸気複合タービン設備をガス化装置からの合成ガス、第２燃料又は補助燃料で選択的に運転するには、タービンに付属の燃焼器のバーナを、合成ガスと、例えば天然ガスや燃料油等の第２燃料を必要に応じて供給できる二種類又は多種類燃料形バーナとして設計せねばならない。その際、各燃料は、バーナの燃料通路を経て燃焼領域に供給する。

本発明の課題は、良好な合成ガス運転が達成できる、ガスタービンのバーナの改善された運転方法を提供することにある。更なる本発明の課題は、特にこの方法を実施するための原動所設備を提供することにある。

この課題は本発明に基づき、化石燃料をガス化し、該燃料を合成ガスとしてガスタービンに付属のバーナに燃焼用に供給するバーナの運転方法において、合成ガスを第１部分流と第２部分流とに分け、両部分流を別々にバーナに燃焼用に供給することで解決される。

また、本発明に基づいて、２つの部分流より多くの部分流を利用し、それらを別々にバーナに燃焼用に供給してもよい。

本発明は、原動所設備、例えば化石燃料ガス化統合形のガス蒸気複合タービン設備の設備効率が、燃料が燃焼用に供給されるバーナにおける燃料側圧力損失が大きくなればなるほど悪化するという考えから出発している。この損失は、その燃料ガスに対するバーナの流れ抵抗ないし流れコンダクタンスにより定まる。

ガスが配管を貫流する際に生ずる圧力差は、ガス流量、例えば質量流量に比例する。その比例係数が流れ抵抗と言われる。流れ抵抗の逆数は流れコンダクタンスである。原動所設備に対する上述の効率設計から、設計状態、即ち、例えば定格出力運転におけるバーナ圧力損失をできるだけ小さくする必要がある。しかしそのために、非常に低いガスタービン出力での運転時や無負荷運転時に、燃料側のバーナ圧力損失が過度に低くなり、火炎振動に対する燃焼の十分な安定が得られなくなる。従って、そのような設備構成に対して、合成ガスモードでの出力運転は、ガスタービンの基本負荷と各状態に依存する最低部分負荷の間でしかできない。

本発明は、ガスタービンのバーナを合成ガスで運転する全く新しい方式を提案する。即ち化石燃料のガス化で生じた、天然ガスに比べ低カロリーの燃料ガスを、バーナに燃焼用に少なくとも２つの部分流として別々に供給する。この結果、燃料側バーナ圧力損失の許容範囲内で調整できる燃料質量流量の帯域幅がかなり広がり、この結果、特に従来通常のバーナ運転に比べ少ない燃料質量流量が可能となる。合成ガスを第１および第２部分流又はより多くの部分流に分割することで、燃料をバーナの空間的に異なる相応の個所に燃焼用に供給できる。その結果、各合成ガス部分流に対応する２つ以上の燃焼領域が生ずる。

この結果、合成ガス運転中の、過小燃料側バーナ圧力損失による燃焼不安定を防止できる。更に、特にバーナや燃焼器のうなり音を防止すべく、バーナを合成ガス運転に適合するために将来考え得る高価な構造的変更が不要となる。合成ガスを少なくとも２つの部分流でバーナに供給することで、唯一の合成ガス通路による運転に比べ、全般的にバーナの運転様式の良好な調整方式と最適化方式が生ずる。この場合、特にバーナでの合成ガスの燃焼を、部分流の調整によりバーナの所望の運転モード、例えば基本負荷や部分負荷や無負荷の運転モードに、非常に効果的に的確に適合させ、最良にできる利点がある。運転調整性の拡大に伴い、燃料周辺条件の変化への系統の適合も容易になる。

この新たな運転方式により、段階的な合成ガス運転が可能となる。この運転は、一方ではバーナに付属したガスタービンの全負荷時に全部分流、特に第１および第２部分流の大きな質量流量で、他方では最低負荷運転時又は無負荷運転時にも唯一の大きな合成ガス部分流で、夫々バーナにおける圧力損失を低減する。その際、第１部分流或いは場合により別の部分流と第２部分流とは、これらがバーナを別々に貫流し、各燃焼領域に流入する際、異なる流れコンダクタンスを受け、この結果、燃料質量流量の所定の変化範囲で、バーナでの圧力損失の変化幅を、唯一の合成ガス流に比べかなり小さくできる利点がある。この結果、ガスタービンの基本負荷時のバーナにおける圧力損失は、最低負荷時、即ち無負荷運転時の圧力損失に比べ、同じバーナ設計での単流構成より小さくなる。

本発明の有利な実施態様では、第１および第２部分流を個々に調整してバーナに供給する。この構成では、両部分流を互いに無関係に調整でき、この結果バーナの運転帯域幅が拡がる。その際、例えば合成ガスの総質量流量を一定に保ち、第１および第２部分流を、調達すべき燃焼出力と安定運転に関し互いに調和させる運転様式を選択するとよい。

両部分流の少なくとも一方に、発熱量を変化すべく天然ガス或いは蒸気を混入できる。部分流の発熱量は、要求に応じ、天然ガスや蒸気の混入によって増大又は減少する。また両部分流を相互に無関係に、蒸気や例えば窒素等の不活性媒体の供給によって不活性化してもよい。従って合成ガスの各部分流について、特に部分流毎に発熱量が異なるよう設定でき、この結果、各燃焼領域で、それに応じた燃焼により異なる熱量が得られる。この結果、幅広い自由度、即ち発熱量を利用でき、その発熱量は、合成ガスの各部分流に対して必要に応じて個々に調整できる利点がある。

部分流をガスタービンの発生すべき出力に応じて調整するとよい。合成ガスによるガスタービンのバーナの運転方法では、部分流を、即ち特に各ガス質量流量の大きさや各比発熱量を、ガスタービンの発生すべき出力に応じて調整するとよい。この場合、例えばガスタービンの出力を、全ての燃料通路に対し共通の設定値に設定し、各燃料通路におけるガス流を後置接続した制御回路で互いに無関係に、上述の要件に応じて、例えば閉制御回路で設定値に応じて追従制御する。

ガスタービンの最低負荷又は無負荷運転時に、両部分流の一方を零にするとよい。従ってこの運転モードは、合成ガスの１つの部分流をバーナに供給することで実現する。そのため、最低負荷又は無負荷運転に対応する部分流を選択し、その部分流を、燃焼領域迄バーナを経て貫流する際、そのために必要な最低圧力損失に応じて相応しい流れ抵抗で流す。選択した合成ガス部分流の僅かな質量流量でも、その大きな流れ抵抗で、例えばバーナを経ての過小圧力勾配による燃焼不安定は回避できる。

原動所設備に関する課題は、本発明に基づき、上述の方法を実施する原動所設備であって、少なくとも１つのバーナを備えた燃焼器が付属するガスタービンと、燃焼器に前置接続された燃料系とを備え、該燃料系が化石燃料のガス化装置と、この装置から出て燃焼器に開口するガス管とを含む原動所設備において、ガス管から燃焼器の上流でもう１つの第２ガス管が分岐し、該管がバーナの第１燃料通路に接続され、第２ガス管が、バーナの第１燃料通路から流れ技術的に分離された第２燃料通路に接続されることで解決される。

バーナには、通常代表的には４００００ｋＪ／ｋｇの高発熱量の天然ガスに対する通路として設計された第２燃料通路が既に存在している。この通路を、補助的に、第１燃料通路と流れ技術的に別個に配置された合成ガス用の第２通路として利用するとよい。この結果、原動所設備のバーナは合成ガスに対し２つの燃料通路を有することとなる。ガス化装置で化石燃料のガス化により生じた合成ガスを、ガス管および第２ガス管を経てそれらに接続した燃料通路に別々に供給する。その第１および第２燃料通路で、合成ガスに対する流れコンダクタンスが異なり、この結果各燃料通路に夫々合成ガス部分流を的確に供給することで、段階的燃料供給、特に２段燃料供給が可能となる。この結果、原動所設備は、特に、例えば化石燃料としての石炭のガス化によって生ずる低カロリー燃料ガスの燃焼に対して有利に利用できる。段階的合成ガス供給によって、合成ガス運転中の燃料側バーナ圧力損失の許容範囲内で調整できる燃料質量流量の帯域幅が拡大し、かくして全負荷運転時のバーナ圧力損失を最小にし、或いは少なくともかなり減少できる利点がある。

本発明の有利な実施態様では、ガス管および第２ガス管に夫々調整弁を設け、これらの弁で、各燃料通路における燃料流が調整される。この際合成ガス用調整弁を備えたガス管を並列接続し、各調整弁で、それらに対応する燃料通路への部分流を調整する。

ガス管にガス封じ装置を接続し、該装置を、ガス管又は第２ガス管の分岐点の上流に配置するとよい。

この結果、一方でガス閉鎖機能を確実にし、他方で止め弁と調整弁の数を減らせる。ガス管から他のガス管への分岐点の上流に、非常止め弁や気密閉鎖弁を設けるとよい。

ガス化装置付き原動所設備は、例えば石炭や残滓油から生ずる合成ガスと、例えば天然ガスのような第２燃料で運転される。合成ガスを第２燃料に或いはその逆に切り換える際、安全技術上の理由から、ガス封じ装置と燃焼器の間の範囲、即ちガスタービン燃料系を、窒素や蒸気等の不活性媒体で洗浄する必要がある。この要求は、原動所設備において、例えばガス管に接続され燃焼器の上流側に配置されたガス封じ装置が、非常止め弁、放圧系又は加圧系およびガス封じ弁を含むことで達成される。この結果、ガスタービンのバーナに供給すべき燃料ガスの切り換え時、合成ガス又は第２燃料、更に場合によっては燃料系からの燃焼ガスの排除が、被洗浄体積が非常に小さいので、特に確実に保証される。また被洗浄体積が小さい場合、両燃料通路を一方向から洗浄するだけでよい。この結果、洗浄過程の複雑な調整機構を省ける。第２燃料、例えば天然ガスに切り換える場合、第２ガス管および燃料通路の洗浄は不要である。ガスタービンの非常遮断時だけ、両燃料通路、場合により一層多くの燃料通路を洗浄する。

その洗浄は、ガスタービンのバーナ毎に、前進方向、即ち燃焼器の方向にだけ行うとよい。洗浄過程は蒸気又は窒素、例えば純窒素で実施する。窒素による洗浄は、小さな被洗浄体積に基づき、特に経済的に行なえる。またその洗浄過程のために、原動所設備に配置された蒸気タービン設備から蒸気を取り出す必要がなく、この結果、その原動所設備の総効率が特に高くなる。その上、腐食が全く或いはほんの僅かしか生じない故、高合金鋼を利用する必要もない。小さな被洗浄体積は、原動所設備における構成要素の密な配置により得られる。ガス封じ装置と非常止め弁を例えば相並べて配置することで、非常止め弁はガス封じ装置内に設けた弁の機能を負い、この結果、その弁を省け、ガスタービン燃料系の被洗浄体積は特に小さくなる。更に、燃料系の非常に小さな体積に伴い、負荷急減時の過速回転は、特にガス案内構成要素の小さな追走作用のため、かなり御し易くなる。

特にガス管から第２ガス管への分岐点の上流に配置され、ガス管に接続されたガス封じ装置における弁として、通常球形弁や玉弁が採用されている。この弁は特に高い気密性を有する。非常止め弁は、例えば非常止めフラッパ弁として形成される。しかし、弁の構造的大きさに関係して、例えば適当な非常止め弁のようなあらゆる別の高速閉鎖弁が採用できる。この結果、ガス化装置付き原動所設備は、合成ガス運転時或いは燃料を第２燃料に切り換える際、特に安全に運転できる。

原動所設備の有利な実施態様では、第２ガス管に、供給管を経て天然ガスや蒸気を供給する。バーナの第２燃料通路に接続した第２ガス管は、合成ガスへの天然ガスや蒸気の混入により、第２燃料通路の運転時の発熱量を調整する。合成ガスへの天然ガスの混入に伴い発熱量が高まり、これに対し合成ガスへの蒸気の混入により発熱量が減少する。供給管を経た天然ガスや蒸気の的確な混入に伴い、発熱量を、バーナの所望の運転モードに非常に精確に合わせられる。

第２ガス管に、特にガス化装置で化石燃料のガス化により生成した合成ガスを供給するとよい。この結果、第２ガス管に、必要に応じて合成ガス、天然ガス蒸気又はそれらの混合気を供給できる。

原動所設備のガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラを接続し、該ボイラの加熱器を蒸気タービンの水・蒸気回路に接続したガス蒸気複合タービン設備として形成するとよい。

この原動所設備の他の利点は、上述のバーナの運転方法の利点に類似して生ずる。

以下図を参照し本発明の実施例を詳細に説明する。図は尺度通りでなく概略的に示す。

図１の原動所設備３は、ガス蒸気複合タービン設備１として構成され、ガスタービン設備１ａと蒸気タービン設備１ｂとを含む。ガスタービン設備１ａは、ガスタービン２とこれに前置接続された燃焼器６を含む。ガスタービン２に空気圧縮機４が、そしてその圧縮空気管８に燃焼器６が接続されている。燃焼器６はバーナ７を備える。ガスタービン２、空気圧縮機４および発電機１０は、共通の軸１２上に置かれている。

蒸気タービン設備１ｂは、発電機２２が連結された蒸気タービン２０と、水・蒸気回路２４内で蒸気タービン２０に後置接続された復水器２６と、廃熱ボイラ３０とを含む。蒸気タービン２０は、第１圧力段、即ち高圧部２０ａと、第２圧力段、即ち中圧部２０ｂとから成る。更に、第３圧力段、即ち蒸気タービン２０の低圧部２０ｃが設けられ、それら各圧力段２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、共通の軸３２を経て発電機２２を駆動する。

ガスタービン２で膨張した作動媒体ＡＭ、即ち燃焼ガスを廃熱ボイラ３０に供給すべく、排気管３４を廃熱ボイラ３０の入口３０ａに接続している。ガスタービン２で膨張済みの作動媒体ＡＭは、廃熱ボイラ３０の出口３０ｂから煙突（図示せず）を経て流出する。

廃熱ボイラ３０は復水加熱器４０を備える。この加熱器４０は入口側が復水管４２を経て復水ポンプ装置４４に接続され、復水器２６から復水Ｋを受給する。復水加熱器４０の出口側は配管４５を経て給水タンク４６に接続している。復水加熱器４０を必要に応じて迂回すべく、復水管４２をバイパス管（図示せず）を経て給水タンク４６に直結する。給水タンク４６は、配管４７を経て中圧抽出口付き高圧給水ポンプ４８に接続している。

高圧給水ポンプ４８は、給水タンク４６から出る給水Ｓを蒸気タービン２０の高圧部２０ａに対応する水・蒸気回路２４の高圧段５０に適した圧力レベルに高める。高圧状態の給水Ｓは、給水加熱器５２を経て高圧段５０に供給される。出口側で該加熱器５２は、弁５４で遮断可能な給水管５６を経て高圧ドラム５８に、該ドラム５８は、水・蒸気循環路６２を形成すべく、廃熱ボイラ３０内に配置した高圧蒸発器６０に接続している。主蒸気Ｆを排出すべく、高圧ドラム５８は廃熱ボイラ３０内に配置した高圧過熱器６４に、過熱器６４の出口側は、蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気入口６６に接続している。

蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気出口６８は、再熱器７０を経て蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの蒸気入口７２に、そして蒸気出口７４は、転流管７６を経て蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気入口７８に接続している。蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気出口８０は、蒸気管８２を経て復水器２６に接続し、この結果水・蒸気閉回路２４が生じている。

高圧給水ポンプ４８から、復水Ｋが中間圧力に達する抽出点で分岐管８４が分岐する。該管は、もう１つの給水加熱器８６又は中圧エコノマイザを経て、蒸気タービン２０の中圧段２０ｂに対応した水・蒸気回路の中圧段９０に接続している。第２給水加熱器８６は、出口側が弁９２で遮断できる給水管９４を経て中圧段９０の中圧ドラム９６に、そして該ドラム９６は、水・蒸気循環路１００を形成すべく、廃熱ボイラ３０内に配置され、中圧蒸発器として構成された加熱器９８に接続されている。中圧主蒸気Ｆ′を排出すべく、中圧ドラム９６は蒸気管１０２を経て再熱器７０に接続され、この結果蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの蒸気入口７２に連通している。

低圧給水ポンプ１０７を備え、弁１０８で遮断可能なもう１つの配管１１０が配管４７から分岐している。該配管は蒸気タービン２０の低圧部２０ｃに対応する水・蒸気回路２４の低圧段１２０に接続されている。この低圧段１２０は低圧ドラム１２２を含み、該ドラムは、水・蒸気循環路１２６を形成すべく、廃熱ボイラ３０内に配置され、低圧蒸発器として形成された加熱器に接続されている。低圧主蒸気Ｆ″を排出すべく、低圧ドラム１２２は、低圧過熱器１２８を接続した蒸気管１２７を経て転流管７６に接続されている。従ってこの実施例では、ガス蒸気複合タービン設備１の水・蒸気回路２４は３つの圧力段５０、９０、１２０を含む。しかしより少数の、特に２つの圧力段にしてもよい。

ガスタービン設備１ａは、化石燃料Ｂのガス化で生じたガス化生ガスや合成ガスＳＧで運転すべく設計されている。合成ガスＳＧとして、例えば石炭や油のガスが利用できる。そのためガスタービン設備１ａは、ガスタービン２に付属する燃焼器６のバーナ７に、合成ガスＳＧを供給する燃料系１２９を、該燃料系は、ガス化装置１３２をガスタービンの燃焼器６に接続するガス管１３０を含む。化石燃料Ｂとして石炭、天然ガス又は油が、ガス化装置１３２に取入れ系１３４を経て供給される。更に燃料系１２９は、ガス化装置１３２とガスタービン２の燃焼器６の間でガス管１３０に接続された構成要素を含む。

燃焼器６の上流で、ガス管１３０からもう１つのガス管１３１が分岐し、両ガス管１３０、１３１は別々に燃焼器６のバーナ７に接続されている。合成ガスＳＧは両ガス管１３０、１３１により第１部分流ＳＧ１と第２部分流ＳＧ２に分けられる。合成ガスＳＧの両部分流ＳＧ１、ＳＧ２は、バーナ７に燃焼用に別々に供給される。その際、第１部分流ＳＧ１はガス管１３０、第２部分流ＳＧ２は第２ガス管１３１を経て各々供給される。第２ガス管１３１はガス管１３０から、図２に詳細に示す範囲２３６で分岐している。該範囲２３６の下流で、ガス管１３０および第２ガス管１３１は、バーナ７の異なった接続個所に、流れ技術的に並列接続されている。この結果、部分流ＳＧ１、ＳＧ２は流れ技術的に別個に、互いに無関係にバーナ７に供給される。

化石燃料Ｂのガス化に必要な酸素Ｏ₂を用意すべく、燃料系１２９に付属する空気分解装置１３８が、ガス化装置１３２に酸素管１３６を経て接続されている。該装置１３８は入口側に、第１および第２部分空気流L１、Ｌ２から成る空気流Ｌを供給される。第１部分空気流Ｌ１は空気圧縮機４で圧縮された空気から取り出され、そのため空気分解装置１３８は入口側が、圧縮空気管８から分岐点１４２で分岐する抽出空気管１４０に接続されている。この空気管に、補助空気圧縮機１４４に接続されたもう１つの空気管１４３が開口し、この管を経て、空気分解装置１３８に第２部分空気流Ｌ２が供給される。従って本実施例では、空気分解装置１３８に流入する総空気流Ｌは、圧縮空気管８から分岐した部分空気流Ｌ１と、補助空気圧縮機１４４で搬送される部分空気流Ｌ２とから成る。かかる回路構成は部分統合設備構成とも呼べる。それに代わる所謂完全統合設備構成では、もう１つの空気管１４３と補助空気圧縮機１４４を共に省き、もって空気分解装置１３８への空気供給を、圧縮空気管８から取り出した部分空気流Ｌ１だけで全部行う。

空気分解装置１３８で空気流Ｌの分解時に酸素Ｏ₂と共に得られる窒素Ｎ₂は、空気分解装置１３８に接続した窒素供給管２３０を経て、混合装置１４６に供給し、そこで合成ガスＳＧに混入させる。その装置１４６は、窒素Ｎ₂を混合ガスと特にむら無しに一様に混合すべく設計する。この装置１４６は選択的なものであり、窒素内の酸素含有量が少ない他の設備構成では省略してもよい。

ガス化装置１３２から出る合成ガスＳＧは、ガス管１３０を経て、先ず合成ガス廃熱ボイラ１４７に達する。この合成ガス廃熱ボイラ１４７で、流れ媒体との熱交換に伴い、合成ガスＳＧを冷却する。その熱交換中に生じた高圧蒸気は、図示しない方法で、水・蒸気回路２４の高圧段５０に供給する。

合成ガスＳＧの流れ方向に見て合成ガス廃熱ボイラ１４７の下流でかつ混合器１４６の上流に、ガス管１３０に合成ガスＳＧに対する除塵装置１４８と脱硫装置１４９を接続している。特に燃料として油ガスを利用する際、除塵装置に代えて煤洗浄装置を設ける。

燃焼器６に配置したバーナ７でガス化燃料Ｂが燃焼する際に生ずる有害物質の量を特に減少すべく、燃焼器６へのガス化燃料Ｂの流入前に、燃料Ｂに水蒸気を注入する。その水蒸気注入は飽和器系で行うと熱力学的に有利である。そのため、ガス管１３０に飽和器１５０を接続する。合成ガスＳＧの形にガス化した燃料Ｂを、飽和器１５０内で、被加熱飽和器水Ｗと対向流で導く。飽和器水Ｗは、飽和器１５０に接続された飽和器回路１５２内を循環する。この回路１５２に、循環ポンプ１５４と飽和器水Ｗを加熱するための熱交換器１５６とを接続している。熱交換器１５６の一次側に水・蒸気回路２４の中圧段９０における加熱済み給水を供給する。ガス化燃料の飽和時に生ずる飽和器水Ｗの消費量を補償すべく、飽和器回路１５２に給水管１５８を接続している。

ガス管１３０に、合成ガスＳＧの流れ方向に見て飽和器１５０の下流で、合成ガス・混合ガス熱交換器として作用する熱交換器１５９の二次側を接続し、熱交換器１５９の一次側を除塵装置１４８の上流個所で同様にガス管１３０に接続している。この結果、除塵装置１４８に流入する合成ガスＳＧはその熱の一部を、飽和器１５０から出る合成ガスＳＧに伝達する。脱硫装置１４９への流入前の、熱交換器１５９を経ての合成ガスＳＧの案内は、別の構成要素に関して変更された回路構成でも可能である。特に煤洗浄装置を利用する場合、熱交換器１５９は合成ガス側を煤洗浄装置の下流に配置するとよい。

飽和器１５０と熱交換器１５９との間のガス管１３０に、もう１つの熱交換器１６０の二次側を接続している。その熱交換器１６０の一次側で、給水又は蒸気で加熱する。合成ガス・純ガス熱交換器として形成した熱交換器１５９、１６０により、ガス蒸気複合タービン設備１の種々の運転状態においても、ガスタービン２の燃焼器６のバーナ７に流入する合成ガスＳＧの特に確実な加熱（予熱）を保証する。空気分解装置１３８に供給すべき抽出空気とも呼ばれる圧縮空気部分流Ｌ１を冷却すべく、抽出空気管１４０に熱交換器１６２の一次側を接続している。その熱交換器１６２の二次側は、流れ媒体Ｓ′に対する中圧蒸発器として形成してある。熱交換器１６２は蒸発器循環路１６３を形成すべく、中圧ドラムとして形成した気水分離器１６４に、そして該分離器１６４は、配管１６６、１６８を経て、水・蒸気循環路１００に付属する中圧ドラム９６に接続している。しかし熱交換器１６２の二次側を中圧ドラム９６に直結してもよい。即ち本実施例では、気水分離器１６４を中圧蒸発器として形成した加熱器９８に間接的に接続する。気水分離器１６４にはまた、蒸発した流れ媒体Ｓ′を補給すべく、給水管１７０を接続している。

圧縮空気第１部分流Ｌ１の流れ方向に見て熱交換器１６２の下流で、抽出空気管１４０に、もう１つの熱交換器１７２を接続している。この熱交換器１７２は二次側が流れ媒体Ｓ″に対する低圧蒸発器を構成する。該熱交換器１７２は、蒸気循環路１７４を形成すべく、低圧ドラムとして形成した気水分離器１７６に接続している。本実施例の場合、気水分離器１７６は配管１７８、１８０を経て、水・蒸気循環路１２６に付属する低圧ドラム１２２に接続され、この結果、低圧蒸発器として形成した加熱器１２４に間接的に接続している。しかし気水分離器１７６は他の適当な様式で接続してもよく、該分離器１７６から取り出した蒸気を、プロセス蒸気および／又は加熱蒸気として、補助負荷に導ける。他の異なった形態では、熱交換器１７２の二次側を低圧ドラム１２２に直結してもよい。更に、気水分離器１７６は給水管１８２に接続している。

両蒸発器循環路１６３、１７４は夫々強制循環路として形成できる。その際、流れ媒体Ｓ′、Ｓ″の循環は循環ポンプにより保証され、流れ媒体Ｓ′、Ｓ″は蒸発器として形成した熱交換器１６２、１７２で少なくとも部分的に蒸発する。しかしこの実施例では、蒸発器循環路１６３並びに蒸発器循環路１７４を夫々自然循環路として形成し、流れ媒体Ｓ′、Ｓ″の循環は、蒸発過程中に生ずる圧力差および／又は各熱交換器１６２、１７２および各気水分離器１６４、１７６の測地学的配置により保証する。この実施例では、蒸発器循環路１６３又は蒸発器循環路１７４に、夫々系統を始動するための非常に小さな寸法の唯一の循環ポンプ（図示せず）しか接続していない。

飽和器回路１５２に熱結合すべく、給水加熱器８６の下流で分岐した加熱済み給水Ｓが供給される熱交換器１５６に加えて、飽和器水・熱交換器１８４を設けている。該熱交換器は一次側に給水タンク４６からの給水Ｓを受ける。そのため、熱交換器１８４の一次側の入口を配管１８６を経て分岐管８４に、出口を配管１８８を経て給水タンク４６に各々接続している。給水・熱交換器１８４から流出する冷却済み給水Ｓを再熱すべく、配管１８８に補助熱交換器１９０を接続し、該熱交換器の一次側は抽出空気管１４０の熱交換器１７２に接続している。この配置により抽出空気から特に多量の熱回収ができ、この結果ガス蒸気複合タービン設備１の、特に大きな効率が得られる。部分空気流Ｌ１の流れ方向に見て熱交換器１７２と熱交換器１９０の間で、抽出空気管１４０から冷却空気管１９２が分岐している。冷却済み部分空気流Ｌの部分流Ｌ′が、冷却空気管１９２を経てガスタービン２に、その翼の冷却空気として供給される。この形態はしばしば利用される。

ガス蒸気複合タービン設備１の運転中、ガスタービン２のバーナ７に、ガス化装置１３２での化石燃料Ｂのガス化で得た合成ガスＳＧが供給される。このガスＳＧは範囲２３６で第１および第２部分流ＳＧ１、ＳＧ２に分けられ、個々に調節の上バーナ７に燃焼用として供給される。

ガスタービン２のバーナ７の合成ガス運転を可能とする回路構成を図２に示す。図２は図１の範囲２３６と、バーナ７への接続部を拡大して示す。バーナ７は、ガスタービン２に付属する燃焼器６内に配置されている（図１参照）。範囲２３６で、ガス管１３０から分岐点２４２でもう１つの（第２）ガス管１３１が分岐している。バーナ７はバーナ軸線２５２を有し、これに沿って、第１燃料通路２３８と流れ技術的に該通路２３８と別個の第２燃料通路２４０とが夫々延びている。更にバーナ７は燃焼室２４６を有し、該室内に、第１、第２燃焼領域２４８ａ、２４８ｂが形成される。第１燃焼領域２４８ａは第１燃料通路２３８、第２燃焼領域２４８ｂは第２燃料通路２４０に対応する。両燃焼領域２４８ａ、２４８ｂは少なくとも部分的に空間的に重畳し、該通路２３８、２４０はバーナ７のバーナ軸線２５２の周りに半径方向に互いに間隔を隔てて配置され、両燃料通路２３８、２４０は夫々筒形環状空間を形成している。バーナ７には運転中、圧縮機４から圧縮空気管８を経て取り出した燃焼用空気Ｌ_Vが供給される（図１参照）。更にガス管１３０は第１燃料通路２３８、第２ガス管１３１は第２燃料通路２４０に各々接続されている。この結果、合成ガスＳＧの第１部分流ＳＧ１が燃焼用に第１燃料通路２３８、合成ガスＳＧの第２部分流ＳＧ２が燃焼用に第２燃料通路２４０に夫々供給される。第１部分流ＳＧ１は第１燃焼領域２４８ａ、第２部分流ＳＧ２は第２燃焼領域２４８ｂで夫々燃焼用空気Ｌを供給されて燃焼する。その際、高温燃焼ガスが発生し、ガスタービン２に供給される。

図１Ａの燃料系１２９の停止時、洗浄が必要である。従って燃料ガス化系１２９の第１と第２範囲を、１回又は数回の工程で、別個に窒素Ｎ₂で洗浄する。ガス化系或いは第１範囲およびガスタービン燃料系或いは第２範囲は、範囲２３６で、図２に示すガス封じ装置２００で互いに分離されている。該装置はガス管１３０に接続され、かつガス管１３０からの第２ガス管１３１の分岐点２４２の上流に配置されている。ガス化系は、それ自体ガス封じ装置２００迄のガス化装置を含み、ガスタービン燃料系は、ガス封じ装置２００とガスタービン２のバーナ７を有する燃焼器６迄の後置接続された構成要素を含む。

ガス封じ装置２００はガス管１３０に配置された非常止め弁２０２を含み、この弁２０２の直後に、球形弁として形成したガス封じ弁２０４が接続されている。ガス化装置１３２停止後の洗浄中又は飽和器１５０および後置接続した熱交換器の洗浄中、残留ガスは排気管２０７を経てトーチ（燃焼炎）に向けて排出される。その弁付き排気管２０７は、ガス封じ装置２００の放圧系２０６として使われる。ガス管１３０はガス封じ装置２００を経て気密に遮断でき、必要に応じ非常止め弁２０２を経て特に瞬間的に閉鎖できる。

ガス封じ装置２００の直後で、ガス管１３０に調整弁２０８ａを接続している。バーナ７への合成ガスＳＧの第１部分流ＳＧ１は、調整弁２０８ａにより調整される。ガス管１３０から分岐した第２ガス管１３１にも調整弁２０８ｂが接続されている。この調整弁２０８ｂを経て、バーナ７への合成ガスＳＧの第２部分流ＳＧ２が調整される。

ガス化系又は燃料系の第１範囲、即ちガス化装置１３２からガス封じ装置２００迄を窒素Ｎ₂で洗浄すべく、空気分解装置１３８からの純窒素Ｒ−Ｎ₂を利用する。そのため、空気分解装置１３８で空気流Ｌの分解中に酸素Ｏ₂と共に発生した窒素Ｎ₂を、純窒素Ｒ−Ｎ₂として、空気分解装置１３８から供給管２１０を経て排出する。この管２１０から、弁２１２で遮断可能な分岐管２１４が分岐し、該分岐管２１４は、燃料系１２９の第１範囲および化石燃料ガス化装置１３２に開口し、それらを洗浄すべく利用される。

第２範囲又はガスタービン燃料系を窒素Ｎ₂で洗浄すべく、同様に純窒素Ｒ−Ｎ₂を用いる。このため、供給管２１０が窒素貯蔵タンク２２０に開口している。弁２２２で遮断可能な予備管２２４が追加的に供給管２１０に開口している。該予備管２２４は入口側が純窒素Ｒ−Ｎ₂の非常補給系２２６に接続している。窒素貯蔵タンク２２０を空気分解装置１３８と非常補給系２２６に接続することで、窒素貯蔵タンク２２０を、空気分解装置１３８並びに非常補給系２２６からの純窒素Ｒ−Ｎ₂で充填する。この結果、空気分解装置１３８の休止時も、ガス化系１２９の洗浄が確実に行える。窒素貯蔵タンク２２０は、これが洗浄過程に必要な純窒素Ｒ−Ｎ₂量を十分大きな予備量を含めて提供するよう設計してある。窒素貯蔵タンク２２０の出口側は、洗浄管２２８を経てガス管１３０に接続している。ガス管１３０は、合成ガスＳＧの流れ方向に見てガス封じ装置２００の直ぐ下流の範囲、即ちガス封じ弁２０４の下流で洗浄管２２８に開口している。

空気分解装置１３８で発生した不純窒素Ｕ−Ｎ₂を供給すべく、空気分解装置１３８から第２供給管２３０が分岐する（図１参照）。該管２３０は混合装置１４６に開口する。ガスタービンでのＮＯ_X発生量を減少すべく、混合装置１４６で合成ガスＳＧに不純窒素Ｕ−Ｎ₂を添加し、窒素Ｎ₂と合成ガスＳＧをむら無く一様に混合させる。

燃焼器６のバーナ７に供給する燃料ガスの切り換えに相当するガスタービン２の合成ガスＳＧから第２燃料への切り換え毎に、ガスタービン燃料系１２９を窒素Ｎ₂により洗浄する。その洗浄過程で、ガスタービン燃料系１２９内に存在する合成ガスＳＧを、安全技術上の理由から、ほぼ完全に排除せねばならない。

合成ガス運転中、即ち図２に示す両燃料通路２４０、２３８に部分流ＳＧ１、ＳＧ２の形で燃焼用に供給される合成ガスＳＧの燃焼時、第２部分流ＳＧ２に天然ガスＥＧ又は蒸気Ｄを混入させる。この結果、第２燃料通路２４０の運転に利用する第２部分流ＳＧ２の発熱量が、必要に応じて高まり又は低下する。そのため、天然ガス供給系２４４ａ並びに蒸気Ｄ或いは純窒素Ｒ−Ｎ₂の供給系２４４ｂを含む供給装置２４４を設けている。この供給装置２４４は範囲２３６において接続個所２５０で、第２ガス管１３１に接続され、この結果必要に応じた流体を、供給装置２４４を経て第２ガス管１３１および第２燃料通路２４０に供給できる。その場合、第２燃料通路２４０は、第１燃料通路２３８と無関係に合成ガスＳＧを供給するとよい。更に部分流ＳＧ１、ＳＧ２は、洗浄管２２８から供給装置２４４の別の供給系２４４ｂを経て供給される純窒素Ｒ−Ｎ₂或いは蒸気Ｄが、互いに無関係に供給され、或いは洗い流される。この結果、合成ガスの両部分流ＳＧ１、ＳＧ２は、調整可能な種々の発熱量を生ずる。この際、第２燃料通路２４０に付属する供給装置２４４は２つの目的を満たす。即ち天然ガス運転中のＮＯ_X発生量を減少する目的と、合成ガス運転中の的確な発熱量の調整と運転制御の目的を果たす。

本発明によるバーナ７の運転方法と上述の設備構成により、合成ガスＳＧによる原動所設備３の段階的運転が行える。合成ガス運転は、一方で両燃料通路２３８、２４０を夫々部分流ＳＧ１、ＳＧ２が貫流する全負荷運転時に圧力損失が十分小さいと言う特長を有する。他方でガスタービン２の合成ガスＳＧによる最低負荷又は無負荷運転時でも、必要に応じて例えば第２燃料通路２４０だけを利用することで、必要な最低圧力損失が保証される。このため、第２燃料通路２４０は、その相応した構造形状と寸法づけにより、第１燃料通路２３８より大きな流れ抵抗を有する。互いに異なる流れ抵抗を持った両燃料通路２３８、２４０の同時使用は、バーナ７に供給する総燃料質量流量の所定の変動範囲で、圧力損失の変動幅を、従来公知の系統に比べかなり小さくできる。その結果、基本負荷時の圧力損失は、ガスタービン２の最低負荷時、例えば無負荷運転時の圧力損失に比べバーナ７に１つの合成ガス流しか燃焼用に供給しない単燃料通路構成の場合より小さくなる。

第２燃料通路２４０に供給する合成ガスＳＧの希薄率を供給装置２４４により適合化することで、合成ガスＳＧの主燃料通路として用いる第１燃料通路２３８を安定化できる。第２燃料通路２４０を貫流する合成ガスＳＧの第２部分流ＳＧ２を僅かにしか希薄化していない場合、第２燃料通路２４０は、場合により強く希薄化した第１燃料通路２３８に対するパイロット炎として使える。更に、希薄率についての適切な制御処置で、バーナ７の幾何学形状の費用を要する変更なしに、部分流ＳＧ１、ＳＧ２の微調整だけで、火炎振動を非常に効果的に制御できる。本発明の方法で運転するバーナ７の二燃料通路構造により燃焼挙動の適合が可能となる。この結果、燃焼振動とバーナ温度に関し燃焼挙動を最適化する方式が、各運転設定の適合化でかなり改善できる。その際本発明は、特にバーナ７の少なくとも１つの燃料通路、例えば第２燃料通路２４０を二重の機能、即ち合成ガス運転時における合成ガス通路と、他の気体燃料（Ｂ）、例えば天然ガス運転時における天然ガス（ＥＧ）に対する燃料通路として利用できる特長を持つ。その際、合成ガスと天然ガスとの混合気を、必要なら蒸気を加えて燃料通路に供給し、新たな混合気運転を実現できる。

ガス化装置付き燃料系がガスタービンに接続された原動所設備の配管系統図。 図１におけるガスタービンにおけるバーナ部分の詳細配管系統図。

符号の説明

１ ガス蒸気複合タービン設備、２ ガスタービン、３ 原動所設備、６ 燃焼器、７ バーナ、１２９ 燃料系、１３０、１３１ ガス管、１３２ ガス化装置、２３８、２４０ 燃料通路、２４４ 供給管、Ｂ 燃料、Ｄ 蒸気、ＥＧ 天然ガス

Claims (6)

1. 化石燃料（Ｂ）をガス化し、該燃料を合成ガス（ＳＧ）として、ガスタービン（２）に付属するバーナ（７）に燃焼用に供給するガスタービン（２）におけるバーナ（７）の運転方法において、
   合成ガス（ＳＧ）を第１部分流（ＳＧ１）と第２部分流（ＳＧ２）とに分け、これら両部分流（ＳＧ１、ＳＧ２）を別々にバーナ（７）に燃焼用に供給すると共に、
   ガスタービン（２）の調達すべき出力に応じて、両部分流（ＳＧ１、ＳＧ２）の少なくとも一方に、運転時の発熱量を変化すべく天然ガス（ＥＧ）或いは蒸気（Ｄ）を混入させることを特徴とするガスタービンにおけるバーナの運転方法。
2. ガスタービン（２）の最低負荷運転時或いは無負荷運転時に、両部分流（ＳＧ１、ＳＧ２）の一方を零にすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 請求項１又は２記載の方法を実施する原動所設備（３）であって、
   少なくとも１つのバーナ（７）を備えた燃焼器（６）が付属するガスタービン（２）と、燃焼器（６）に前置接続された燃料系（１２９）とを備え、該燃料系が化石燃料（Ｂ）のガス化装置（１３２）と、該装置から出て燃焼器（６）に開口するガス管（１３０）とを含む原動所設備（３）において、
   ガス管（１３０）から燃焼器（６）の上流でもう１つの（第２）ガス管（１３１）が分岐し、ガス管（１３０）がバーナ（７）の第１燃料通路（２３８）に接続され、第２ガス管（１３１）が、バーナ（７）の第１燃料通路（２３８）から分離された第２燃料通路（２４０）に接続されたこと、第２ガス管（１３１）に、運転時の発熱量を調整すべく、天然ガス（ＥＧ）或いは蒸気（Ｄ）が供給管（２４４）を経て供給されることおよびガス管（１３０）および第２ガス管（１３１）に夫々調整弁（２０８ａ、２０８ｂ）が設けられ、これらの調整弁（２０８ａ、２０８ｂ）を経て、それらの燃料通路（２３８、２４０）における燃料流が調整されることを特徴とする原動所設備。
4. ガス管（１３０）にガス封じ装置（２００）が接続され、該装置が、ガス管（１３０）から第２ガス管（１３１）の分岐点（２４２）の上流に配置されたことを特徴とする請求項３記載の設備。
5. 第２ガス管（１３１）に、ガス化装置（１３２）で発生した合成ガス（ＳＧ）が供給されることを特徴とする請求項３又は４記載の設備。
6. ガスタービン（２）の燃焼ガス側に廃熱ボイラ（３０）が後置接続され、該ボイラの加熱器が、蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に接続されたガス蒸気複合タービン設備（１）として形成されたことを特徴とする請求項３から５の１つに記載の設備。

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