JP5063538B2 - Gas turbine fuel supply method - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンの燃料供給方法に関する。   The present invention relates to a fuel supply method for a gas turbine.

近年、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されており、ガスタービンの主要燃料である液化天然ガス（ＬＮＧ）以外に、水素を含む燃料、たとえば製油所や化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガスなどのオフガス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。これらのオフガスは副生燃料であるため安価であり、高効率なガスタービンに利用できれば燃料代のコスト削減に寄与するなどの利点がある。   In recent years, diversification of fuel has been studied in gas turbines, and in addition to liquefied natural gas (LNG), which is the main fuel of gas turbines, hydrogen-containing fuels, such as off-gas generated in refineries and chemical plants, and iron manufacturing processes The use of off-gas, such as coke oven gas, generated as a main fuel for gas turbines is being studied. Since these off-gases are by-product fuels, they are inexpensive, and if they can be used in highly efficient gas turbines, there are advantages such as contributing to cost reduction of fuel costs.

一方、石炭ガス化や重質油ガス化などの複合発電システム（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）は、豊富な資源を有効に利用した発電システムであり、近年、欧米を中心に実用化されている。これらの燃料は水素を多量に含むガスである。
特に、水素は天然ガスに比べ可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃料配管や排気ダクト内などで発火しやすい燃料である。このため、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合、液体燃料やプロパンなどの他種燃料を起動用燃料として用い、ガスタービンの起動後、低負荷条件にて燃料を切り替える運転方法を行うことで、着火時の安全性を確保している。水素含有燃料と起動用燃料を用いるガスタービンの燃料系統は、特開２００７−３３０２２号公報に記載されている。 On the other hand, an integrated power generation system (IGCC: Integrated Coal Gasification Combined Cycle) such as coal gasification and heavy oil gasification is a power generation system that effectively uses abundant resources, and has recently been put into practical use mainly in Europe and the United States. Yes. These fuels are gases containing a large amount of hydrogen.
In particular, hydrogen is a fuel that is easy to ignite in fuel pipes and exhaust ducts because hydrogen has a wider flammable range and a faster combustion speed than natural gas. For this reason, when using a hydrogen-containing fuel in a gas turbine, using another type of fuel such as liquid fuel or propane as a starting fuel, and performing an operation method of switching the fuel under a low load condition after starting the gas turbine, Ensures safety during ignition. A fuel system of a gas turbine using a hydrogen-containing fuel and a starting fuel is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-33022.

特開２００７−３３０２２号公報JP 2007-33022 A

特許文献１に記載されているように、水素含有燃料を使用する場合、ガスタービンの着火・起動時などの安全性を考慮する必要がある。そのため、液体燃料や、プロパンなどの高カロリ燃料などを起動用燃料として用いる。具体的には、ガスタービンを起動用燃料にて着火し、起動・昇速，負荷併入後は、起動用燃料から水素含有燃料に運転モードを切り替えることになる。   As described in Patent Document 1, when a hydrogen-containing fuel is used, it is necessary to consider safety such as when the gas turbine is ignited or started. For this reason, liquid fuel, high-calorie fuel such as propane, or the like is used as the starting fuel. Specifically, the gas turbine is ignited with the starting fuel, and the operating mode is switched from the starting fuel to the hydrogen-containing fuel after starting / acceleration and loading.

また、水素は発火しやすい燃料である。そのため、ガスタービンの着火時は勿論、燃料切り替え操作時も、燃料ガス配管内において水素含有燃料と酸素が共存しないように配慮する必要がある。このように、水素含有燃料を使用する場合、起動用燃料系統の設置費用や、起動用燃料のランニングコストなどが発生していた。   Hydrogen is a fuel that easily ignites. For this reason, consideration must be given so that the hydrogen-containing fuel and oxygen do not coexist in the fuel gas pipe not only when the gas turbine is ignited but also when the fuel is switched. Thus, when using a hydrogen-containing fuel, the installation cost of the startup fuel system, the running cost of the startup fuel, and the like have occurred.

本発明の目的は、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合でも、起動用燃料を用いることなく安全にガスタービンを起動することにある。   An object of the present invention is to start a gas turbine safely without using a starting fuel even when a hydrogen-containing fuel is used for the gas turbine.

本発明は、前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び前記パージガスを前記バーナーに供給する第２の工程とを備え、前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とする。


The present invention supplies the hydrogen-containing fuel and the purge gas to the burner between the first step of supplying the purge gas into the piping of the fuel system and from the start of ignition of the gas turbine combustor to the completion of ignition. The hydrogen-containing fuel is obtained by gasifying oxygen with off-gas generated at a refinery or chemical plant, coke oven gas generated during an iron-making process, coal or heavy oil as a raw material. The purge gas is an inert gas such as nitrogen, steam or carbon dioxide obtained in a plant, and the system for supplying the purge gas is used for flow measurement. The purge system includes an orifice, a flow control valve, a shut-off valve, and a check valve for preventing a back flow of the hydrogen-containing fuel, and the purge system according to the number of fuel systems Characterized in that it connects.


本発明によれば、ガスタービンに水素含有燃料を用いる場合でも、起動用燃料を用いることなく安全にガスタービンを起動することができる。   According to the present invention, even when a hydrogen-containing fuel is used for a gas turbine, the gas turbine can be started safely without using a starting fuel.

以下、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, a gas turbine combustor which is an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、ガスタービンプラントと燃料供給システムの概略を示したものである。   FIG. 1 shows an outline of a gas turbine plant and a fuel supply system.

本実施例のガスタービンプラントは、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６、及び起動用モーター８等などを備える。ガスタービン１は、大気より吸込んだ空気１０１が空気圧縮機２で圧縮され、圧縮空気１０２が燃焼器３へと供給される。燃焼器３では、圧縮空気１０２と水素含有燃料２０１の混合・燃焼によって燃焼ガス１１０が発生し、燃焼ガス１１０がタービン４に供給される。タービン４では燃焼ガスの供給により回転動力が与えられ、タービン４の回転動力が空気圧縮機２、及び発電機６に伝達される。空気圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。   The gas turbine plant of the present embodiment includes an air compressor 2, a combustor 3, a turbine 4, a generator 6, a starting motor 8, and the like. In the gas turbine 1, air 101 sucked from the atmosphere is compressed by the air compressor 2, and compressed air 102 is supplied to the combustor 3. In the combustor 3, combustion gas 110 is generated by mixing and burning the compressed air 102 and the hydrogen-containing fuel 201, and the combustion gas 110 is supplied to the turbine 4. In the turbine 4, rotational power is given by supplying combustion gas, and the rotational power of the turbine 4 is transmitted to the air compressor 2 and the generator 6. The rotational power transmitted to the air compressor 2 is used as compression power, and the rotational power transmitted to the generator 6 is converted into electric energy.

燃焼器３は、圧力容器である外筒１０と、外筒１０の内周部に設けられた燃焼室を形成するライナー１２と、燃焼室の上流に火炎を形成するためのバーナー５１と、燃焼室で発生した燃焼ガス１１０をタービン４へ導く尾筒（図示せず）などを備えている。   The combustor 3 includes an outer cylinder 10 that is a pressure vessel, a liner 12 that forms a combustion chamber provided in an inner peripheral portion of the outer cylinder 10, a burner 51 for forming a flame upstream of the combustion chamber, a combustion A tail pipe (not shown) for guiding the combustion gas 110 generated in the chamber to the turbine 4 is provided.

本実施例の燃焼器３は、水素を含む気体燃料を燃焼させるものである。また、燃焼器の着火も、液体燃料などの起動用燃料を使用せず、水素含有燃料で実施する。ここで、燃焼器３に供給される燃料には、例えば石油製油所や化学プラントで発生する水素を含むオフガスや製鉄プロセスなどで発生するコークス炉ガス、あるいは、石炭や重質油などの原料を酸素でガス化して得られる石炭ガス化ガスや重質油ガス化ガスなどが挙げられる。これらの燃料には水素が３０〜９０vol％程度含まれている。   The combustor 3 of this embodiment burns gaseous fuel containing hydrogen. The combustor is also ignited with a hydrogen-containing fuel without using a starting fuel such as a liquid fuel. Here, the fuel supplied to the combustor 3 includes, for example, offgas containing hydrogen generated in a petroleum refinery or a chemical plant, coke oven gas generated in an iron manufacturing process, or a raw material such as coal or heavy oil. Examples include coal gasification gas and heavy oil gasification gas obtained by gasification with oxygen. These fuels contain about 30 to 90 vol% of hydrogen.

燃焼器には水素含有燃料を供給するための燃料系統２５０を備えている。燃料系統は、上流側から順に、水素含有燃料の供給源（タンクなど），流量調節弁の上流側圧力を調整するための圧力調節弁２０２，燃料流量を調整するための流量調節弁（２１０ａ〜２１０ｅ），流量を計測するためのオリフィス（２２０ａ〜２２０ｅ）などで構成される。本実施例では、水素含有燃料の供給源から供給された燃料が圧力調節弁２０２で圧力を調整された後、５つの燃料系統に分岐して、それぞれバーナーに供給される。   The combustor includes a fuel system 250 for supplying hydrogen-containing fuel. The fuel system includes a hydrogen-containing fuel supply source (such as a tank), a pressure control valve 202 for adjusting the upstream pressure of the flow rate control valve, and a flow rate control valve (210a to 210a for adjusting the fuel flow rate) in order from the upstream side. 210e) and orifices (220a to 220e) for measuring the flow rate. In the present embodiment, the fuel supplied from the supply source of the hydrogen-containing fuel is adjusted in pressure by the pressure control valve 202, and then branched into five fuel systems and supplied to the burners.

燃料の系統数は燃焼器３の燃焼体系によって異なる。燃料と空気をバーナーの別流路から燃焼室に噴出する拡散燃焼器の場合、燃料系統は１系統で成立する。一方、燃焼器頭部にバーナーを複数個配置した燃焼器の場合、バーナー数に応じて燃料系統を増やす必要がある。図１では、Dry低ＮＯｘ燃焼器を想定しており、燃料系統は５系統で示している。   The number of fuel systems varies depending on the combustion system of the combustor 3. In the case of a diffusion combustor that injects fuel and air from a separate flow path of a burner into a combustion chamber, a fuel system is established in one system. On the other hand, in the case of a combustor in which a plurality of burners are arranged on the combustor head, it is necessary to increase the fuel system according to the number of burners. In FIG. 1, a Dry low NOx combustor is assumed, and five fuel systems are shown.

図１の燃料系統において、圧力調節弁２０２の上流側には燃料中の水素濃度を検出するガスクロマトグラフなどの検出装置２０３を備えており、ガスタービンの着火前に燃料中の水素濃度を検出することが可能となっている。また、各燃料系統には、燃料の供給やガスタービン着火時の安全性を向上させるため、不活性ガスの系統（３３０ａ〜３３０ｅ）が各燃料系統（２３０ａ〜２３０ｅ）に接続されている。着火時の燃料中の水素濃度を精度良く低下させるため、不活性ガスの系統には、その上流側から、不活性ガスの供給源（タンクなど）、流量を調節するための流量調節弁（３１０ａ〜３１０ｄ），流量測定用オリフィス（３２０ａ〜３２０ｃ），遮断弁３４０ａ〜３４０ｅ、及び燃料ガスの逆流を防止するための逆止弁（３５０ａ〜３５０ｅ）を備える。そして、燃料系統の上流側に設けられた水素濃度検出装置２０３により燃料中の水素濃度を予め検出して、不活性ガスの流量調節弁３１０ａを制御することで、着火時の不活性ガスの流量を調整することが可能である。不活性ガス３０１は、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などが挙げられる。   In the fuel system of FIG. 1, a detection device 203 such as a gas chromatograph for detecting the hydrogen concentration in the fuel is provided upstream of the pressure control valve 202, and the hydrogen concentration in the fuel is detected before ignition of the gas turbine. It is possible. In addition, in each fuel system, an inert gas system (330a to 330e) is connected to each fuel system (230a to 230e) in order to improve safety during fuel supply and gas turbine ignition. In order to accurately reduce the hydrogen concentration in the fuel at the time of ignition, an inert gas supply source (tank or the like) and a flow rate control valve (310a for adjusting the flow rate) are provided from the upstream side of the inert gas system. 310d), flow rate measuring orifices (320a to 320c), shut-off valves 340a to 340e, and check valves (350a to 350e) for preventing backflow of fuel gas. Then, the hydrogen concentration in the fuel is detected in advance by the hydrogen concentration detection device 203 provided on the upstream side of the fuel system, and the flow rate of the inert gas during ignition is controlled by controlling the flow rate adjustment valve 310a of the inert gas. Can be adjusted. Examples of the inert gas 301 include nitrogen, steam, and carbon dioxide obtained in a plant.

なお、図１では水素濃度検出装置２０３の設置位置を圧力調節弁２０２の上流側とした。但し、流量調節弁２１０の上流側や、各燃料系統（２３０ａ〜２３０ｅ）と不活性ガス系統（３３０ａ〜３３０ｅ）との合流地点より下流側に設置しても良い。   In FIG. 1, the installation position of the hydrogen concentration detection device 203 is the upstream side of the pressure control valve 202. However, it may be installed on the upstream side of the flow control valve 210 or on the downstream side from the junction of each fuel system (230a to 230e) and the inert gas system (330a to 330e).

次に、図２に基づいて、着火時に使用する燃料系統、及びバーナー構成などを説明する。図２は、バーナーの正面図と、バーナーに通じる燃料系統、及び隣接する燃焼器を併せて示している。ガスタービン燃焼器３は多缶で構成され、点火栓缶３ａと、隣接する燃焼器３ｂ，３ｃを示す。燃焼器には、パイロットとして用いる径方向中心部に備えたパイロットバーナー５１ａと、その外周に低ＮＯｘ燃焼を行うための外周バーナー（５１ｂ〜５１ｇ）を配置している。また、燃焼器には、隣接する燃焼器への着火・火移りを行うためのクロスファイヤー管７１を有する。そして、点火栓缶３ａにて着火後は、圧力の上昇によって、クロスファイヤー管を通じて隣接する燃焼器に燃焼ガスが流れ、着火・火移りする仕組みとなっている。図２では、ガスタービンの着火・起動はパイロットバーナー５１ａ、及び外周バーナー５１ｂ，５１ｄの３つのバーナーで行う。また、クロスファイヤー管７１に隣接する外周バーナー５１ｂ，５１ｄにも燃料を供給することで着火・火移りを容易にしている。   Next, based on FIG. 2, the fuel system used at the time of ignition, a burner structure, etc. are demonstrated. FIG. 2 shows a front view of the burner, a fuel system leading to the burner, and an adjacent combustor. The gas turbine combustor 3 is composed of multiple cans, and shows a spark plug can 3a and adjacent combustors 3b and 3c. In the combustor, a pilot burner 51a provided at the radial center portion used as a pilot and an outer peripheral burner (51b to 51g) for performing low NOx combustion are arranged on the outer periphery thereof. Further, the combustor has a cross fire pipe 71 for performing ignition / fire transfer to the adjacent combustor. After ignition in the spark plug can 3a, the combustion gas flows to the adjacent combustor through the crossfire tube due to the pressure increase, and the ignition / fire transfer is performed. In FIG. 2, the gas turbine is ignited / started by three burners including a pilot burner 51a and outer peripheral burners 51b and 51d. In addition, the fuel is also supplied to the outer peripheral burners 51b and 51d adjacent to the cross fire pipe 71, thereby facilitating ignition and fire transfer.

以下、本プラントの運転方法について説明する。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。ガスタービンの回転数を、燃焼器の着火条件に相当する回転数で一定に保持することで、燃焼器に圧縮空気１０２が供給され着火条件が成立する。   Hereinafter, the operation method of this plant is demonstrated. At startup, the gas turbine is driven by external power such as a starter motor 8. By keeping the rotation speed of the gas turbine constant at a rotation speed corresponding to the ignition condition of the combustor, the compressed air 102 is supplied to the combustor and the ignition condition is satisfied.

燃焼器は、水素含有燃料の供給に備え、まず不活性ガス３０１により燃料系統２３０ａ〜２３０ｃ内の酸素濃度を低下させる必要がある。そこで、遮断弁３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃを開け、流量調節弁３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃを所定の開度に調整することで、パイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄに不活性ガスが供給される。不活性ガス３０１を一定時間供給することで、流量調節弁（２１０ａ〜２１０ｃ）からパイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄまでの配管内の酸素濃度を低下させることができる。   The combustor needs to reduce the oxygen concentration in the fuel systems 230a to 230c with the inert gas 301 in preparation for the supply of the hydrogen-containing fuel. Therefore, by opening the shut-off valves 340a, 340b and 340c and adjusting the flow rate adjusting valves 310a, 310b and 310c to a predetermined opening degree, the inert gas is supplied to the pilot burner 51a and the outer peripheral burners 51b and 51d. By supplying the inert gas 301 for a certain period of time, the oxygen concentration in the pipes from the flow rate control valves (210a to 210c) to the pilot burner 51a and the outer peripheral burners 51b and 51d can be reduced.

配管パージ完了後、燃焼器の着火操作時も不活性ガス３０１を引き続き供給することで、水素含有燃料２０１に不活性ガス３０１を混合でき、バーナーに供給される燃料全体の水素濃度を低下できる。従って、起動用燃料を用いなくても、水素含有燃料でガスタービンの安全な着火・起動が可能となり、起動用燃料の設備費や起動用燃料のランニングコストを削減することが可能となる。混合する不活性ガス３０１の流量は、着火前に検出した水素含有燃料２０１の水素濃度に基づいて調整するため、各種水素含有燃料に対応した着火・起動が可能となる。   After the pipe purge is completed, the inert gas 301 is continuously supplied even during the ignition operation of the combustor, so that the inert gas 301 can be mixed with the hydrogen-containing fuel 201, and the hydrogen concentration of the entire fuel supplied to the burner can be reduced. Therefore, it is possible to safely ignite and start the gas turbine with the hydrogen-containing fuel without using the starting fuel, and it is possible to reduce the installation cost of the starting fuel and the running cost of the starting fuel. Since the flow rate of the inert gas 301 to be mixed is adjusted based on the hydrogen concentration of the hydrogen-containing fuel 201 detected before ignition, ignition and activation corresponding to various hydrogen-containing fuels are possible.

次にガスタービンの着火において、パイロットバーナー５１ａ，外周バーナー５１ｂ，５１ｄに供給する水素含有燃料と不活性ガスの流量変化について説明する。本実施例では、燃焼器のバーナーにて着火後、ガスタービンの昇速はパイロットバーナー５１ａの燃料流量を増加させることで対応し、外周バーナー５１ｂ，５１ｄは、燃料流量の供給を停止する運転方法を想定している。   Next, changes in the flow rates of the hydrogen-containing fuel and the inert gas supplied to the pilot burner 51a and the outer peripheral burners 51b and 51d in the ignition of the gas turbine will be described. In this embodiment, after ignition by the burner of the combustor, the acceleration of the gas turbine is dealt with by increasing the fuel flow rate of the pilot burner 51a, and the outer peripheral burners 51b and 51d are the operation methods for stopping the supply of the fuel flow rate. Is assumed.

図３は、燃焼器の径方向中心部に配置したパイロットバーナー５１ａに供給する水素含有燃料と不活性ガスの流量変化（概念図）を示したものである。   FIG. 3 shows the flow rate change (conceptual diagram) of the hydrogen-containing fuel and the inert gas supplied to the pilot burner 51a arranged at the radial center of the combustor.

図中のａ〜ｅの状態は、
ａ）不活性ガス３０１によるパージ開始
ｂ）不活性ガス３０１によるパージ完了，着火操作開始
ｃ）燃焼器着火完了
ｄ）不活性ガス供給停止
ｅ）無負荷定格回転数
の時期を示している。 The states a to e in the figure are as follows:
a) Start of purge with inert gas 301 b) Completion of purge with inert gas 301 and start of ignition operation c) Completion of combustor ignition d) Stop of supply of inert gas e) Timing of no-load rated speed.

ガスタービンの着火条件において、燃焼器に燃料を供給する際、水素含有燃料と酸素が燃料配管内で共存し発火するのを防止する必要がある。そのため、燃料供給前に配管内をパージする必要がある。そこで、ａの時期で、燃料系統の配管内に不活性ガス３０１の供給を開始する。一定時間、不活性ガス３０１を供給することで、配管内のパージが完了し、水素含有燃料２０１の供給が可能となる（ｂの時期）。   When supplying fuel to the combustor under the ignition condition of the gas turbine, it is necessary to prevent the hydrogen-containing fuel and oxygen from coexisting in the fuel pipe and igniting. Therefore, it is necessary to purge the inside of the pipe before supplying the fuel. Therefore, supply of the inert gas 301 is started in the piping of the fuel system at the time of a. By supplying the inert gas 301 for a certain period of time, the purge in the pipe is completed, and the hydrogen-containing fuel 201 can be supplied (time b).

燃焼器の着火においては、不活性ガス３０１の流量と水素含有燃料２０１の流量の比率、即ち供給された燃料の水素濃度が重要である。本実施例では、水素濃度検出装置２０３が検出した水素濃度に基づき、水素含有燃料と不活性ガスが混合した後の水素濃度が許容水素濃度以下となるように、不活性ガス３０１の流量を決定する。なお、図３では、配管パージから燃焼器の着火開始まで不活性ガスの流量を一定としているが、区間ａ−ｂにおける不活性ガスの流量は、着火開始時の不活性ガスの流量に対し増減しても問題ない。不活性ガスの流量が少ない場合には、配管内の酸素濃度が低下するまでの時間を確保すれば良い。   In the ignition of the combustor, the ratio between the flow rate of the inert gas 301 and the flow rate of the hydrogen-containing fuel 201, that is, the hydrogen concentration of the supplied fuel is important. In this embodiment, based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection device 203, the flow rate of the inert gas 301 is determined so that the hydrogen concentration after the hydrogen-containing fuel and the inert gas are mixed is less than the allowable hydrogen concentration. To do. In FIG. 3, the flow rate of the inert gas is constant from the pipe purge to the start of ignition of the combustor, but the flow rate of the inert gas in the section ab is increased or decreased with respect to the flow rate of the inert gas at the start of ignition. There is no problem. When the flow rate of the inert gas is small, it is sufficient to secure time until the oxygen concentration in the pipe decreases.

ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間（区間ｂ−ｃ）、水素含有燃料及び、前述のように流量を調整された不活性ガスをバーナーに供給し続ける。   During the period from the start of ignition of the gas turbine combustor to the completion of ignition (section bc), the hydrogen-containing fuel and the inert gas whose flow rate is adjusted as described above are continuously supplied to the burner.

燃焼器の着火完了後（ｃの時期）、不活性ガス３０１の供給を停止しつつ、水素含有燃料２０１の流量を増加させることでガスタービンの昇速運転に入ることが可能となる。   After completion of ignition of the combustor (timing c), it is possible to start the gas turbine speed-up operation by increasing the flow rate of the hydrogen-containing fuel 201 while stopping the supply of the inert gas 301.

これらの着火操作における水素含有燃料２０１の水素濃度変化（概念図）を図４に示す。これは、パイロットバーナー５１ａの上流位置における水素濃度を想定している。燃料配管のパージ期間中（区間ａ−ｂ）は、水素含有燃料２０１の供給がないため、水素濃度はゼロである。燃焼器の着火操作時期ｂより、燃料流量の増加に伴い、水素濃度が徐々に高くなる。着火区間ｂ−ｃにおいては、燃料中の水素濃度を許容水素濃度以下とすることが重要である。燃焼器にて着火完了後は、不活性ガス３０１の停止に伴い、水素濃度が徐々に高くなる。不活性ガス３０１が遮断された時期ｄでは、燃料中の水素濃度は、水素含有燃料２０１と同等となる。なお、水素含有燃料２０１の水素濃度が許容水素濃度以下の場合は、着火操作時に不活性ガスを供給しなくても良い。   FIG. 4 shows changes in hydrogen concentration (conceptual diagram) of the hydrogen-containing fuel 201 in these ignition operations. This assumes the hydrogen concentration at the upstream position of the pilot burner 51a. During the purge period of the fuel pipe (section ab), the hydrogen-containing fuel 201 is not supplied, so the hydrogen concentration is zero. From the ignition operation timing b of the combustor, the hydrogen concentration gradually increases as the fuel flow rate increases. In the ignition zone bc, it is important that the hydrogen concentration in the fuel is less than the allowable hydrogen concentration. After completion of ignition in the combustor, the hydrogen concentration gradually increases as the inert gas 301 stops. At the time d when the inert gas 301 is shut off, the hydrogen concentration in the fuel becomes equivalent to the hydrogen-containing fuel 201. In addition, when the hydrogen concentration of the hydrogen-containing fuel 201 is equal to or lower than the allowable hydrogen concentration, it is not necessary to supply the inert gas during the ignition operation.

Figure 0005063538
Figure 0005063538

ここで、着火時における燃料の体積流量をＱｆ
水素含有燃料２０１中に含まれる水素の体積比率をＣH2
着火時に混合する不活性ガスの体積流量をＱinertとする Here, the volume flow rate of the fuel at the time of ignition is expressed as Qf
The volume ratio of hydrogen contained in the hydrogen-containing fuel 201 is defined as C H2
Let Q inert be the volume flow of the inert gas mixed during ignition.

混合する不活性ガスの量が必要量供給されているかは、上記（１）式で判断できる。（１）式で許容水素濃度以下とならない場合は、不活性ガスの流量を増加させることになる。   Whether the necessary amount of the inert gas to be mixed is supplied can be determined by the above equation (1). If the hydrogen concentration does not fall below the allowable hydrogen concentration in the equation (1), the flow rate of the inert gas is increased.

次に、外周バーナー５１ｂと５１ｄの水素含有燃料，不活性ガスの流量変化（概念図）を図５に示す。燃料配管のパージ開始から燃焼器の着火完了までの不活性ガスと水素含有燃料の流量変化は、図３と同様である。燃焼器の着火完了後は、パイロットバーナーの燃料流量を増加させて昇速するため、外周バーナー５１ｂ，５１ｄの燃料供給を停止する。
燃料配管内で水素含有燃料と酸素を共存させないため、燃料供給を停止した後に不活性ガス３０１の供給を停止する。 Next, the flow rate change (conceptual diagram) of the hydrogen-containing fuel and the inert gas in the outer peripheral burners 51b and 51d is shown in FIG. Changes in the flow rates of the inert gas and the hydrogen-containing fuel from the start of purge of the fuel pipe to the completion of ignition of the combustor are the same as in FIG. After completion of ignition of the combustor, the fuel flow rate of the pilot burner is increased to increase the speed, so that the fuel supply to the outer peripheral burners 51b and 51d is stopped.
Since the hydrogen-containing fuel and oxygen do not coexist in the fuel pipe, the supply of the inert gas 301 is stopped after the fuel supply is stopped.

次に、拡散燃焼器に本発明の燃料供給方法を適用した例を図６に示す。拡散燃焼器では、バーナーにおいて燃料と空気を別々の流路より供給する。そのため、燃焼室内部に燃料と空気の量論混合域（燃料１ｍ3を燃焼させるのに必要な空気量との比）が多数存在し、局所的な火炎温度の上昇に伴いＮＯｘ濃度が高くなる。このため、燃焼器頭部には火炎温度低減用に蒸気６１０を噴射する系統６００を備えている。 Next, an example in which the fuel supply method of the present invention is applied to a diffusion combustor is shown in FIG. In a diffusion combustor, fuel and air are supplied from separate flow paths in a burner. Therefore, there are many fuel and air stoichiometric mixing zones (ratio with the amount of air required to burn 1 m 3 of fuel) in the combustion chamber, and the NOx concentration increases as the local flame temperature rises. . For this reason, the combustor head is provided with a system 600 for injecting steam 610 to reduce the flame temperature.

図中には、バックアップ用として起動用油燃料の供給が可能なノズル系統４００と、噴霧空気供給系統５００を備えている。拡散燃焼は安定燃焼範囲が広いため、燃料系統は１系統で対応可能である。燃料系統２５０は、水素含有燃料２０１の供給が可能であり、実施例１と同様に燃料の流量調節弁２１０の下流側にて不活性ガス系統と接続されている。
燃料系統は１系統のため、圧力調節弁の上流に流量計測用のオリフィス２２０を設けている。また、不活性ガス系統も１系統となり複数の燃料系統に分配する必要がないため、図１に示した遮断弁は不要となる。 In the figure, a nozzle system 400 capable of supplying a starting oil fuel as a backup and a spray air supply system 500 are provided. Since diffusion combustion has a wide stable combustion range, a single fuel system can be used. The fuel system 250 can supply the hydrogen-containing fuel 201 and is connected to the inert gas system on the downstream side of the fuel flow control valve 210 as in the first embodiment.
Since the fuel system is one system, an orifice 220 for flow rate measurement is provided upstream of the pressure control valve. Further, since the inert gas system is also one system and does not need to be distributed to a plurality of fuel systems, the shut-off valve shown in FIG. 1 is not necessary.

ガスタービンの着火条件において、まず燃料配管内の酸素濃度を低下させる必要がある。そのため、最初に不活性ガス３０１が燃料系統の配管内に供給される。供給された不活性ガス３０１は、燃料ノズルのガス噴孔８１より燃焼室となるライナー１２内に噴射され、一定時間供給することで燃料配管のパージが完了する。配管パージ完了後、燃焼器の着火操作時も継続して不活性ガス３０１を供給することで、不活性ガスと水素含有燃料との混合により燃料の水素濃度を低下でき、安全に着火することができる。燃焼器での着火完了後、不活性ガス３０１の供給を停止し、水素含有燃料２０１の流量を増加させることで、ガスタービンは昇速運転に入ることが可能となる。   Under the ignition conditions of the gas turbine, it is first necessary to reduce the oxygen concentration in the fuel pipe. Therefore, first, the inert gas 301 is supplied into the piping of the fuel system. The supplied inert gas 301 is injected into the liner 12 serving as a combustion chamber from the gas nozzle hole 81 of the fuel nozzle, and the purge of the fuel pipe is completed by supplying it for a certain time. After the pipe purge is completed, the inert gas 301 is continuously supplied even during the ignition operation of the combustor, so that the hydrogen concentration of the fuel can be reduced by mixing the inert gas and the hydrogen-containing fuel, and the ignition can be performed safely. it can. After the ignition in the combustor is completed, the supply of the inert gas 301 is stopped and the flow rate of the hydrogen-containing fuel 201 is increased, so that the gas turbine can enter an ascending operation.

図７は、燃焼器に供給する不活性ガス，水素含有燃料、及び蒸気の流量の変化（概念図）を示したものであり、着火から定格負荷までの流量の変化を示している。燃料配管のパージ完了後、燃焼器の着火操作を実施するため、図中のａ〜ｅの状態は図３と同じ流量の変化となる。燃焼器の着火完了後（ｃの状態）、不活性ガス３０１の供給を停止し、水素含有燃料２０１の流量を増加させることで無負荷定格回転数に到達する（ｅの状態）。その後、負荷併入（ｆの状態）によって負荷運転が可能となり、更なる燃料流量の増加によりガスタービンは定格負荷条件に到達する（ｇの状態）。負荷併入後は、蒸気６１０の供給によりＮＯｘの低減を図っている。   FIG. 7 shows the change (conceptual diagram) of the flow rates of the inert gas, hydrogen-containing fuel, and steam supplied to the combustor, and shows the change of the flow rate from ignition to the rated load. Since the combustor ignition operation is carried out after the completion of the purge of the fuel pipe, the states a to e in the figure have the same flow rate changes as in FIG. After completion of ignition of the combustor (state c), the supply of the inert gas 301 is stopped and the flow rate of the hydrogen-containing fuel 201 is increased to reach the no-load rated rotational speed (state e). Thereafter, the load operation is enabled by the load insertion (state f), and the gas turbine reaches the rated load condition (state g) by further increasing the fuel flow rate. After loading, NOx is reduced by supplying steam 610.

上記のように、本実施例によれば、起動用燃料にて着火・起動し、低負荷条件において起動用燃料から水素含有燃料への燃料切り替えが不要となる。そのため、着火時から水素含有燃料を使用でき、負荷運転の途中で燃料切り替え操作が不要となる。   As described above, according to the present embodiment, ignition / start-up is performed with the start-up fuel, and it is not necessary to switch the fuel from the start-up fuel to the hydrogen-containing fuel under low load conditions. Therefore, the hydrogen-containing fuel can be used from the time of ignition, and the fuel switching operation becomes unnecessary during the load operation.

燃焼器の着火（ｂ−ｃの区間）においては、拡散燃焼器であっても不活性ガス３０１と水素含有燃料２０１の流量比調整が重要である。そこで、両者混合後の水素濃度が許容濃度以下になるように不活性ガスの流量を調整することで、安全な着火が可能となる。   In the ignition of the combustor (b-c section), it is important to adjust the flow rate ratio of the inert gas 301 and the hydrogen-containing fuel 201 even in the diffusion combustor. Therefore, it is possible to ignite safely by adjusting the flow rate of the inert gas so that the hydrogen concentration after mixing the both is less than the allowable concentration.

本発明の実施例１を示す発電プラントの系統概略図である。It is the system | strain schematic diagram of the power plant which shows Example 1 of this invention. 本発明の実施例１に関連する着火系統、バーナーの正面図である。It is a front view of the ignition system relevant to Example 1 of this invention, and a burner. 本発明の実施例１に関するパイロットバーナーの燃料と不活性ガスの流量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fuel of the pilot burner regarding Example 1 of this invention, and the flow volume of an inert gas. 本発明の実施例１に関連する着火時の燃料濃度を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the fuel concentration at the time of ignition relevant to Example 1 of this invention. 本発明の実施例１に関連する外周バーナーの燃料と不活性ガスの流量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fuel of the outer periphery burner relevant to Example 1 of this invention, and the flow volume of an inert gas. 本発明の実施例２に関連する発電プラントの系統概略図である。It is the system | strain schematic diagram of the power plant relevant to Example 2 of this invention. 本発明の実施例２に関連する燃料，不活性ガス，蒸気流量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the fuel relevant to Example 2 of this invention, an inert gas, and a vapor | steam flow volume.

符号の説明Explanation of symbols

１ ガスタービン
２ 空気圧縮機
３ 燃焼器
３ａ 点火栓缶
３ｂ，３ｃ 燃焼器
４ タービン
６ 発電機
８ 起動用モーター
１０ 外筒
１２ ライナー
５１ バーナー
５１ａ パイロットバーナー
５１ｂ〜５１ｇ 外周バーナー
７１ クロスファイヤー管
１０２ 圧縮空気
１１０ 燃焼ガス
２０１ 水素含有燃料
２０２ 圧力調節弁
２０３ 水素濃度検出装置
２１０ａ〜２１０ｅ，３１０ａ〜３１０ｄ 流量調節弁
２２０ａ〜２２０ｅ オリフィス
２３０ａ〜２３０ｅ，２５０ 燃料系統
３０１ 不活性ガス
３２０ａ〜３２０ｃ 流量測定用オリフィス
３３０ａ〜３３０ｅ 不活性ガス系統
３４０ａ〜３４０ｅ 遮断弁
３５０ａ〜３５０ｅ 逆止弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine 2 Air compressor 3 Combustor 3a Spark plug cans 3b and 3c Combustor 4 Turbine 6 Generator 8 Motor 10 for starting 10 Outer cylinder 12 Liner 51 Burner 51a Pilot burner 51b-51g Outer periphery burner 71 Crossfire pipe 102 Compressed air DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Combustion gas 201 Hydrogen containing fuel 202 Pressure control valve 203 Hydrogen concentration detection apparatus 210a-210e, 310a-310d Flow control valve 220a-220e Orifice 230a-230e, 250 Fuel system 301 Inert gas 320a-320c Flow measurement orifice 330a- 330e Inert gas system 340a-340e Shut-off valve 350a-350e Check valve

Claims (3)

水素含有燃料を供給する燃料系統と、
該燃料系統に接続され、前記水素含有燃料を燃焼室に噴出するバーナーと、
該燃料系統にパージガスを供給する系統とを備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、
ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び前記パージガスを前記バーナーに同時に供給する第２の工程とを備え、
前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、
前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、
前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、
前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。 A fuel system for supplying hydrogen-containing fuel;
A burner connected to the fuel system for injecting the hydrogen-containing fuel into a combustion chamber;
A fuel supply method for a gas turbine combustor comprising a system for supplying purge gas to the fuel system,
A first step of supplying the purge gas into piping of the fuel system;
A second step of simultaneously supplying the hydrogen-containing fuel and the purge gas to the burner from the start of ignition of the gas turbine combustor to completion of ignition ,
The hydrogen-containing fuel includes hydrogen such as off-gas generated in refineries or chemical plants, coke oven gas generated in the iron-making process, gasified gas obtained by gasifying coal or heavy oil with oxygen as a raw material. Containing gaseous fuel,
The purge gas is an inert gas such as nitrogen, steam or carbon dioxide obtained in the plant,
The system for supplying the purge gas includes an orifice for measuring a flow rate, a flow rate adjusting valve, a shut-off valve, and a check valve for preventing a back flow of the hydrogen-containing fuel,
A fuel supply method for a gas turbine combustor, wherein the purge system is connected according to the number of systems of the fuel system . 請求項１に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
ガスタービン燃焼器の着火完了後、前記パージガスの供給を停止する第３の工程を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。 A fuel supply method for a gas turbine combustor according to claim 1,
A fuel supply method for a gas turbine combustor , comprising: a third step of stopping the supply of the purge gas after completion of ignition of the gas turbine combustor. 水素含有燃料を供給する燃料系統と、
該燃料系統に接続され、前記水素含有燃料を燃焼室に噴出するバーナーと、
該燃料系統にパージガスを供給する系統とを備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
前記燃料系統の配管内に前記パージガスを供給する第１の工程と、
前記水素含有燃料の水素濃度に応じて、前記パージガスと前記水素含有燃料とを混合した燃料中の水素濃度が許容水素濃度となるように、前記パージガスの流量を調整する第２の工程と、
ガスタービン燃焼器の着火開始時から着火完了までの間、前記水素含有燃料及び、前記第２の工程で流量を調整したパージガスを前記バーナーに同時に供給する第３の工程とを備え、
前記水素含有燃料は、製油所あるいは化学プラントで発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス、石炭や重質油を原料としそれらを酸素でガス化して得られるガス化ガスなどの水素を含む気体燃料であると共に、
前記パージガスは、プラントで得られる窒素や蒸気，二酸化炭素などの不活性ガスであり、
前記パージガスを供給する系統には、流量測定用のオリフィス，流量調節弁，遮断弁、及び前記水素含有燃料の逆流を防止するための逆止弁を備え、
前記燃料系統の系統数に応じて前記パージ系統を接続することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。 A fuel system for supplying hydrogen-containing fuel;
A burner connected to the fuel system for injecting the hydrogen-containing fuel into a combustion chamber;
A fuel supply method for a gas turbine combustor comprising a system for supplying purge gas to the fuel system,
A first step of supplying the purge gas into piping of the fuel system;
A second step of adjusting a flow rate of the purge gas so that a hydrogen concentration in a fuel obtained by mixing the purge gas and the hydrogen-containing fuel becomes an allowable hydrogen concentration according to a hydrogen concentration of the hydrogen-containing fuel;
A third step of simultaneously supplying the hydrogen-containing fuel and the purge gas whose flow rate has been adjusted in the second step to the burner from the start of ignition of the gas turbine combustor to the completion of ignition;
The hydrogen-containing fuel includes hydrogen such as off-gas generated in refineries or chemical plants, coke oven gas generated in the iron-making process, gasified gas obtained by gasifying coal or heavy oil with oxygen as a raw material. Containing gaseous fuel,
The purge gas is an inert gas such as nitrogen, steam or carbon dioxide obtained in the plant,
The system for supplying the purge gas includes an orifice for measuring a flow rate, a flow rate adjusting valve, a shut-off valve, and a check valve for preventing a back flow of the hydrogen-containing fuel,
A fuel supply method for a gas turbine combustor, wherein the purge system is connected according to the number of systems of the fuel system .
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