JP6855874B2 - 燃焼装置及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置及びガスタービンに関する。

下記特許文献１には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。この燃焼装置及びガスタービンは、天然ガスにアンモニア（燃料用アンモニア）を予混合させた燃料を燃焼器に供給することによりタービンを駆動する燃焼排ガスを得る。タービンは、この燃焼排ガスに基づいて回転動力を発生する共に、当該回転動力により発電機を駆動する。発電機は、ガスタービンによって駆動されることによって所定の交流電力（例えば三相交流電力）を外部に出力する。

特開２０１６−１９１５０７号公報

ところで、電力需要の減少やガスタービンの点検等のなんらかの理由によって、燃料用アンモニアの供給を停止する場合がある。このとき、燃料アンモニアを燃焼器に供給する供給系統の配管内に高圧のアンモニアが残ってしまう場合がある。そのため、何らかの原因によりこの配管内のアンモニアがさらに高圧化し、その圧力が配管の設計圧力を超えてしまう場合には、毒性を持つアンモニアが漏洩するリスクがある。したがって、その配管内の高圧のアンモニアを何らかの手段で処理し、配管内の内部圧力を低減させる必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、アンモニア供給系統内の圧力を低減する燃焼装置及びガスタービンを提供することである。

本発明の一態様は、燃料用アンモニアを燃焼用空気を用いて燃焼器内で燃焼させる燃焼装置であって、前記燃焼器から供給された燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する触媒還元部を備え、前記燃料用アンモニアの少なくとも一部を、前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の還元剤として前記触媒還元部に供給することを特徴とする燃焼装置である。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記燃料用アンモニアを前記燃焼器に供給するためのアンモニア供給経路と、前記アンモニア供給経路から分岐して燃料用アンモニアの少なくとも一部を前記触媒還元部に供給するためのアンモニア分流経路と、
を備える。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記燃料用アンモニアより圧力が低い還元用アンモニアを前記触媒還元部に供給するための還元剤供給経路を更に備え、前記アンモニア供給経路と前記還元剤供給経路とは、前記アンモニア分流経路により連通する。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記アンモニア供給経路であって、前記アンモニア供給経路から前記アンモニア分流経路に分岐する分岐点と前記燃焼器との間の経路に設けられた第１の弁と、前記アンモニア分流経路に設けられた第２の弁と、前記第１の弁の開度及び前記第２の弁の開度を制御する制御装置と、を備え、前記燃焼器で必要とされる燃料用アンモニアの量、および前記触媒還元部で必要とされるアンモニアの量の少なくともいずれかが変化した際に、前記制御装置は、前記第１の弁の開度、および前記第２の弁の開度の少なくともいずれかを制御することで、前記燃料用アンモニアの少なくとも一部を、前記触媒還元部に供給させる。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、記アンモニア分流経路に設けられ、前記第２の弁で減圧された前記燃料用アンモニアの圧力をさらに減圧する第３の弁を更に備える。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記燃料用アンモニア及び前記還元用アンモニアを供給するアンモニア供給部を更に備え、前記第２の弁と前記第３の弁との間の前記アンモニア分流経路から分岐して前記第２の弁で減圧された前記燃料用アンモニアの一部を、前記アンモニア供給部に供給するための循環経路を更に備える。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記アンモニア分流経路を流れる前記燃料アンモニアを多段減圧する複数の弁を備え、前記第２の弁は、ｎ段目（ｎは１以上の整数である）の弁であり、前記第３の弁は、ｎ＋１段目の弁である。

本発明の一態様は、上述の燃焼装置を備えることを特徴とするガスタービンである。

以上説明したように、本発明によれば、アンモニア供給系統内の圧力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンの全体構成示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置の動作のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンの変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本発明の一実施形態に係るガスタービンＡは、図１に示すように圧縮機１、燃焼器２、タービン３、触媒還元部４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、アンモニア供給経路７（アンモニア供給系統）、還元剤供給経路８、アンモニア分流経路９、第１の弁１０、第２の弁１１、第３の弁１２及び制御装置１３を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、触媒還元部４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、アンモニア供給経路７、還元剤供給経路８、アンモニア分流経路９、第１の弁１０、第２の弁１１、第３の弁１２及び制御装置１３は、本実施形態における燃焼装置Ｃを構成している。このようなガスタービンＡは、発電機Ｇの駆動源であり、燃料である天然ガス及びアンモニアを燃焼させることにより回転動力を発生させる。

圧縮機１は、外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機１は、上記圧縮空気を主に燃焼用空気として燃焼器２に供給する。

燃焼器２は、圧縮機１から供給された燃焼用空気を用いて天然ガス供給部５及びアンモニア供給部６から供給された燃料を燃焼させる。この燃焼器２における燃料は天然ガス供給部５から供給された天然ガス及びアンモニア供給部６から供給された燃料用アンモニアである。すなわち、この燃焼器２は、上記圧縮空気を酸化剤として天然ガス及び燃料用アンモニアを燃焼させることにより燃焼排ガスを発生させ、当該燃焼排ガスをタービン３に供給する。

タービン３は、上記燃焼排ガスを駆動ガスとして用いることにより回転動力を発生する。このタービン３は、図示するように圧縮機１及び発電機Ｇと軸結合しており、自らの回転動力によって圧縮機１及び発電機Ｇを回転駆動する。このようなタービン３は、動力回収した後の燃焼排ガスを触媒還元部４に向けて排気する。
触媒還元部４は、還元触媒チャンバ４１を備える。還元触媒チャンバ４１は、内部に還元触媒が充填されており、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理することにより窒素（Ｎ_２）に還元する。

天然ガス供給部５は、所定量の天然ガスを燃料として燃焼器２に供給する燃料供給部である。
アンモニア供給部６は、所定量の気体アンモニアを燃料（燃料用アンモニア）としてアンモニア供給経路７を介して燃焼器２に供給する。また、アンモニア供給部６は、気体アンモニアを還元剤（還元用アンモニア）として、還元剤供給経路８を介して触媒還元部４に供給する。そして、上述した還元触媒チャンバ４１は、内部に収容した還元触媒と還元用アンモニアとの協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理する。なお、還元用アンモニアは、燃料用アンモニアより圧力が低くなるようにアンモニア供給部６によって制御される。
なお、還元触媒チャンバ４１内の圧力は、燃焼器２内の圧力よりも低い。例えば、燃焼器２の圧力が１２気圧であれば、燃料用アンモニアの圧力は２０気圧程度となる。一方、タービン３の出口の圧力はおおよそ大気圧程度であるので、還元剤供給経路８内の圧力は、数気圧程度になる。

アンモニア供給経路７は、アンモニア供給部６と燃焼器２との間に設けられている。このアンモニア供給経路７は、アンモニア供給部６から燃焼器２に燃料用アンモニアを供給するための経路である。具体的には、アンモニア供給経路７は、一端がアンモニア供給部６に連通し、他端が燃焼器２に連通する。例えば、アンモニア供給経路７は、アンモニア供給部６から燃焼器２に燃料用アンモニアが供給されるようにするための配管である。

還元剤供給経路８は、アンモニア供給部６から触媒還元部４に還元用アンモニアを供給するための経路である。還元剤供給経路８は、一端がアンモニア供給部６に連通し、他端が触媒還元部４に連通する。

アンモニア分流経路９は、アンモニア供給経路７の途中から分岐して燃料用アンモニアの少なくとも一部を触媒還元部４に供給するための経路である。具体的には、アンモニア分流経路９は、一端がアンモニア供給経路７に連通し、他端が還元剤供給経路８に連通する。すなわち、アンモニア分流経路９によりアンモニア供給経路７と還元剤供給経路８とが連通する。

第１の弁１０は、アンモニア供給経路７に設けられている。具体的は、第１の弁１０は、アンモニア供給経路７からアンモニア分流経路９に分岐する分岐点Ｎと、燃焼器２と、の間のアンモニア供給経路７に設けられ、その経路を開放あるいは閉塞する。なお、第１の弁１０の開度は、制御装置１３によって制御される。

第２の弁１１は、アンモニア分流経路９に設けらている。第２の弁１１は、アンモニア分流経路９を流れるアンモニア流量を調整する。第２の弁１１の開度は、制御装置１３によって制御される。

第３の弁１２は、アンモニア分流経路９に設けられている。第３の弁１２は、第２の弁１１を通流した燃料用アンモニアの圧力を減圧する。すなわち、第３の弁１２は、第２の弁１１を通流した燃料用アンモニアの圧力を、還元用アンモニアと同程度の圧力に減圧する。

制御装置１３は、燃焼器２で必要とされる燃料用アンモニアの量、もしくは触媒還元部４で必要とされるアンモニアの量が変化した際に、第１の弁１０との開度、及び第２の弁１１の開度の少なくともいずれかを制御することで、燃料用アンモニアの少なくとも一部を、触媒還元部４に供給させる。

制御装置１３は、第１の弁１０及び第２の弁１１にそれぞれ電気的に接続されている。そして、制御装置１３は、第１の弁１０の開度（弁全開状態を開度１００％、全閉状態を開度０％とする）及び第２の弁１１の開度を制御する。例えば、制御装置１３は、第１の弁１０に第１開度指示信号として開度１００％を指示する信号を出力することで、第１の弁１０を全開状態に制御する。制御装置１３は、第２の弁１１に第２開度指示信号として開度０％を指示する信号を出力することで、第２の弁１１を全閉状態に制御する。

制御装置１３は、天然ガス供給部５からの天然ガスの供給量を制御する。例えば、制御装置１３は、天然ガス供給部５に第１供給信号を出力することで、天然ガス供給部５から所定量の天然ガスを供給させる。

制御装置１３は、アンモニア供給部６及び天然ガス供給部５にそれぞれ電気的に接続されている。そして、制御装置１３は、アンモニア供給部６からの気体アンモニアの供給量を制御する。例えば、制御装置１３は、アンモニア供給部６に第２供給信号を出力することで、アンモニア供給部６から所定量の燃料用アンモニアを供給させる。制御装置１３は、アンモニア供給部６に第３供給信号を出力することで、アンモニア供給部６から所定量の還元用アンモニアを供給させる。

以下に、このように構成された燃焼装置Ｃ及びガスタービンＡの動作について、詳しく説明する。まず、燃焼装置Ｃ及びガスタービンＡの定常動作について、説明する。ここで、燃焼装置Ｃ及びガスタービンＡの定常動作においては、第１の弁１０が開状態に制御され、第２の弁１１が全閉状態に制御されている。

ガスタービンＡでは、大気から取り込まれた空気が圧縮機１で圧縮されて圧縮空気が生成される。この圧縮空気は、圧縮機１から燃焼器２に供給される。
天然ガス供給部５は、制御装置１３から第１供給信号を取得し、天然ガスを燃焼器２に供給する。

アンモニア供給部６は、制御装置１３から第２供給信号を取得し、燃料用アンモニアを燃焼器２に向けて供給する。このときに、第１の弁１０は制御装置１３により全開状態に制御されている。一方、第２の弁１１は、制御装置１３により全閉状態に制御されている。すなわち、分岐する分岐点Ｎと、燃焼器２と、の間のアンモニア供給経路７は開放されている。一方、アンモニア分流経路９は閉塞されている。そのため、燃焼用アンモニアは、アンモニア分流経路９には供給されず、アンモニア供給経路７を介して燃焼器２に供給される。

また、アンモニア供給部６は、制御装置１３から第３供給信号を取得し、還元用アンモニアを燃焼器２に向けて供給する。この還元用アンモニアは、還元剤供給経路８を介して触媒還元部４に供給される。

燃焼器２には、圧縮機１で生成された圧縮空気と燃料（天然ガス及び燃料用アンモニア）とが供給され、燃焼排ガスが生成される。そして、燃焼器２は、当該燃焼排ガスをタービン３に供給する。この燃焼器２で発生する燃焼排ガスは、高温かつ高圧のガスであり、燃焼器２からタービン３に供給されて当該タービン３に動力を発生させる。
そして、タービン３は、燃焼排ガスに基づいて発生した動力で互いに軸結合された発電機Ｇ及び圧縮機１を回転駆動する。この結果、発電機Ｇは電力を外部の負荷に出力する一方、圧縮機１は外気から取り込んだ空気を圧縮して燃焼器２に供給する。

タービン３により動力が回収された燃焼排ガスは、還元触媒チャンバ４１に供給されて還元処理される。また、還元触媒チャンバ４１の直前には、アンモニア供給部６から還元用アンモニアが供給されている。そのため、燃焼排ガスは、還元用アンモニアと混合された状態で還元触媒チャンバ４１に供給される。そして、還元触媒チャンバ４１は、燃焼排ガス中の残留窒素酸化物（残留ＮＯｘ）を還元用アンモニア及び還元触媒によって還元処理する。

ここで、上述の定常動作から、電力需要の減少やガスタービンＡの点検等のなんらかの理由によって、燃料用アンモニアの供給を停止する場合がある。このとき、アンモニア供給経路７内部に高圧のアンモニアを残したまま、アンモニア供給経路7を閉塞した場合、何らかの原因により配管内圧力が上昇し、最悪の場合には毒性を持つアンモニアが漏洩するリスクがある。そのため、アンモニア供給経路7内の高圧アンモニアを何らかの手段で処理し、内部圧力を低下させる必要がある。

残存アンモニアを除去し圧力を低下させる方法としては、燃焼器２内で燃やし切る方法があるが、燃焼器２内の圧力以下にすることはできない。また、残存アンモニアを大量の水に溶け込ませて産業廃棄物として処理する方法が存在するが、コストが高い問題がある。

そこで、本発明の一実施形態に係るガスタービンＡは、アンモニアの供給を停止する場合には、アンモニア供給経路７内の燃料用アンモニアの一部を流量制御しつつ燃焼器２で燃焼処理し、残りを、比較的低圧な触媒還元部４に供給することで燃焼排ガス中の窒素酸化物の還元剤として使用する燃料用アンモニアのバイパス処理を行う。
以下に、燃焼装置Ｃ及びガスタービンＡにおけるバイパス処理の動作について、図２をも参照して詳細を説明する。

制御装置１３は、外部から燃料用アンモニアの供給停止命令が入力された場合には、アンモニア供給部６に対する第２供給信号および第３供給信号の出力を停止する。これにより、アンモニア供給部６からの燃料用アンモニアおよび還元用アンモニアの供給が停止される（ステップＳ１０１）。

また、制御装置１３は、燃料用アンモニアおよび還元用アンモニアの供給の停止と同時に、第１の弁１０に対して、燃焼器２に供給されるアンモニア流量が所定量となるように、開度指示信号として第１開度指示信号を出力する（ステップＳ１０２）。ここで、所定量とは燃焼器２が安定して燃焼処理可能なアンモニア流量とする。さらに、制御装置１３は、アンモニア供給経路７内の圧力が燃焼器２内の圧力付近まで減少した場合には、第１の弁１０を全閉にするように第１開度指示信号を第１の弁１０に出力する。すなわち、アンモニア供給経路７内の圧力とアンモニアの流動圧損との和が燃焼器２内の圧力よりも高い範囲において、アンモニア供給経路７内の圧力変化に関わらず一定量のアンモニアが燃焼処理される。一方、アンモニア供給経路７内の圧力が燃焼器２内の圧力と等しくなった場合には、燃焼器２内のガスがアンモニア供給経路７に逆流することを防ぐため、燃焼器２とアンモニア供給経路７との連通部を封じきる。この場合、第１の弁１０と直列に配置される図示しない遮断弁を閉操作してもよい。

次に、制御装置１３は、第２の弁１１に対して、還元触媒チャンバ４１出口におけるＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度が予め設定された濃度範囲内になるよう弁開度を調整するための第２開度指示信号を出力する（ステップＳ１０３）。したがって、アンモニア供給経路７内の燃料用アンモニアは、アンモニア供給経路７からアンモニア分流経路９に流れ、第３の弁１２にて所定の圧力に減圧された後、触媒還元部４にアンモニアの一部が供給され、脱硝用の還元剤として使用される。

これにより、燃料用アンモニアの供給停止命令が入力された場合には、アンモニア供給経路７内の燃料用アンモニアは、燃焼器２に供給できる圧力を有する限り、燃焼器２で燃焼処理され、少なくとも一部は触媒還元部４で燃焼器２で発生するＮＯｘの還元剤として利用することで、安全かつ低コストに処理することができる。

ここで、上記バイパス処理中においては、燃焼器２には、天然ガス供給部５から所定量の天然ガスが供給されている。したがって、燃焼器２は、圧縮空気を酸化剤として天然ガスを燃焼させる。この天然ガスはアンモニアに比べて燃焼性の高い燃料であるため、燃焼器２内に供給した燃料用アンモニアは、不完全燃焼することなく良好に燃焼する。そのため、未燃分の燃料用アンモニアがガスタービンＡの外へ排出されてしまうことを抑制することができる。
なお、アンモニア供給経路７内の圧力が低下し、燃焼器２内に燃料用アンモニアを供給できなくなった場合には、アンモニア供給経路７内の残存アンモニアは天然ガスの燃焼で発生したＮＯｘの還元処理に利用し消費される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

以下に、本変形例のガスタービンＢについて、図３を参照して説明する。
本変形例のガスタービンＢは、図３を図１と比較すると解るように、ガスタービンＡの構成に対して、循環経路１５を更に備える。

すなわち、ガスタービンＢは、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、触媒還元部４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、アンモニア供給経路７、還元剤供給経路８、アンモニア分流経路９、第１の弁１０、第２の弁１１、第３の弁１２、制御装置１３及び循環経路１５を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、触媒還元部４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、アンモニア供給経路７、還元剤供給経路８、アンモニア分流経路９、第１の弁１０、第２の弁１１、第３の弁１２及び循環経路１５は、本実施形態における燃焼装置Ｄを構成している。

第３の弁１２は、第２の弁１１で減圧された燃料用アンモニアの圧力をさらに減圧する。ここで、第２の弁１１と第３の弁１２との間のアンモニア分流経路９における燃料用アンモニアの圧力はアンモニア供給部６のタンク内の圧力よりも高く、かつアンモニア供給部６のタンクの耐圧を下回るように、第２の弁１１と第３の弁１２とのそれぞれの開度が設定されている。

循環経路１５は、一端が第２の弁１１と第３の弁１２との間のアンモニア分流経路９に連通し、他端がアンモニア供給部６のタンクに連通している。すなわち、循環経路１５は、第２の弁１１と第３の弁１２との間のアンモニア分流経路９から分岐して第２の弁１１で減圧された燃料用アンモニアの一部を、アンモニア供給部６に供給するための経路である。

ここで、第２の弁１１で断熱膨張された燃料用アンモニアは温度が低下するため、一部が液体に変化する場合がある。したがって、上述の構成により、本変形例のガスタービンＢは、液体に変化した燃料用アンモニアも、循環経路１５を介してアンモニア供給部６のタンク内に循環させることができる。

なお、上述の実施形態において、還元用アンモニアが不要である場合には、ガスタービンＢは、アンモニア分流経路９を流れる、全ての燃料用アンモニアを、循環経路１５を介してアンモニア供給部６のタンク内に循環させてもよい。

なお、上述のガスタービンＢにおいて、アンモニア分流経路９に複数段の弁を設け、燃料用アンモニアを多段に減圧するシステムとしてもよい。この場合には、循環経路１５の一端は、アンモニア分流経路９の上流側からのｎ（ｎは１以上の整数である）段目の弁と、アンモニア分流経路９の上流側からの（ｎ＋１）段目の弁と、の間のアンモニア分流経路９に連通する。一方、循環経路１５の他端は、アンモニア供給部６のタンクに連通する。
また、上述のガスタービンＢは、外部熱交換器をさらに備え、この外部熱交換器による冷却で、循環経路１５を介してアンモニア供給部６のタンク内に循環させる液体アンモニアの循環量を増加させてもよい。

Ａ,Ｂ ガスタービン
Ｃ，Ｄ 燃焼装置
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 触媒還元部
５ 天然ガス供給部
６ アンモニア供給部
７ アンモニア供給経路
８ 還元剤供給経路
９ アンモニア分流経路
１０ 第１の弁
１１ 第２の弁
１２ 第３の弁
１３ 制御装置
１５ 循環経路
４１ 還元触媒チャンバ

Claims (6)

1. 燃料用アンモニアを燃焼用空気を用いて燃焼器内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼器から供給された燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する触媒還元部と、
   前記燃料用アンモニアを前記燃焼器に供給するためのアンモニア供給経路と、
   前記アンモニア供給経路から分岐して燃料用アンモニアの少なくとも一部を前記触媒還元部に供給するためのアンモニア分流経路と、
   前記燃料用アンモニアより圧力が低い還元用アンモニアを前記触媒還元部に供給するための還元剤供給経路とを備え、
   前記燃料用アンモニアの少なくとも一部を、前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の還元剤として前記触媒還元部に供給し、
   前記アンモニア供給経路の途中部位と前記還元剤供給経路の途中部位とは、前記アンモニア分流経路により連通することを特徴とする燃焼装置。
2. 前記アンモニア供給経路であって、前記アンモニア供給経路から前記アンモニア分流経路に分岐する分岐点と前記燃焼器との間の経路に設けられた第１の弁と、
   前記アンモニア分流経路に設けられた第２の弁と、
   前記第１の弁の開度及び前記第２の弁の開度を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記燃焼器で必要とされる燃料用アンモニアの量、および前記触媒還元部で必要とされるアンモニアの量の少なくともいずれかが変化した際に、前記制御装置は、前記第１の弁の開度、および前記第２の弁の開度の少なくともいずれかを制御することで、前記燃料用アンモニアの少なくとも一部を、前記触媒還元部に供給させることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記アンモニア分流経路に設けられ、前記第２の弁で減圧された前記燃料用アンモニアの圧力をさらに減圧する第３の弁を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
4. 前記燃料用アンモニア及び前記還元用アンモニアを供給するアンモニア供給部を更に備え、
   前記第２の弁と前記第３の弁との間の前記アンモニア分流経路から分岐して前記第２の弁で減圧された前記燃料用アンモニアの一部を、前記アンモニア供給部に供給するための循環経路を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記アンモニア分流経路を流れる前記燃料アンモニアを多段減圧する複数の弁を備え、
   前記第２の弁は、ｎ段目（ｎは１以上の整数である）の弁であり、
   前記第３の弁は、ｎ＋１段目の弁であることを特徴とする請求項４に記載の燃焼装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃焼装置を備えることを特徴とするガスタービン。

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