(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのガスタービン（６）と、一つの熱回収蒸気発生器（９）と、一つの蒸気タービン（１３）と、ＣＯ２回収システム（１８）とを備えた複合サイクル発電プラントの動作方法において、
ＨＲＳＧからの排ガス（１９）の第一の部分的な流れ（２１）を再循環し、
ＨＲＳＧからの排ガス（１９）の第二の部分的な流れ（２０）からＣＯ２を回収し、
このプラントの正味の電力出力を増大するとともに、ＣＯ２回収システム（１８）の消費電力の少なくとも一部を補償するように、補助燃焼部（１０）を動作させるものであって、ガスタービン（６）内の安定した完全燃焼を維持することができるとともに、ガスタービン後の残留酸素濃度（ＧＴO2）が補助燃焼部（１０）の安定した完全燃焼を維持するのに十分であるとの条件下で制御可能な最も高い再循環率である再循環率で、第一の部分的な流れ（２１）を再循環し、残りの前記第二の部分的な流れ（２０）を煙突（３２）から放出することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記排ガス（１９）の部分的な流れを前記ＨＲＳＧからの前記煙突（３２）に迂回させるか又は一部を迂回させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
補助燃焼部（１０）の安定した完全燃焼のために、追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）を補助燃焼部（１０）に噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
補助燃焼部（１０）の安定した完全燃焼に必要な酸素濃度と独立して、再循環率を制御することができるような十分な外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）を補助燃焼部（１０）に噴射することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）の流量が再循環率の関数であることを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）の流量がガスタービン後の残留酸素濃度（ＧＴO2）の関数であることを特徴とする請求項３から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）の流量が補助燃焼部の負荷の関数であることを特徴とする請求項３から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）の流量が再循環率の関数、ガスタービン後の残留酸素濃度の関数、補助燃焼部の負荷の関数の中の一つ以上であることを特徴とする請求項３から７までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上（１１）が、複合サイクル発電プラントの水蒸気サイクル、ＣＯ２回収システム（１８）、排ガスの中の一つ以上からの低温の熱によって予熱されることを特徴とする請求項３から８までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
電力需要がピークの時間に問題となる正味の電力出力を増大するとともに、動作の柔軟性を向上するように、補助燃焼部（１０）を動作させることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも一つのガスタービン（６）と、少なくとも一つの熱回収蒸気発生器（９）と、少なくとも一つの蒸気タービン（１３）と、少なくともＣＯ２回収システム（１８）と、排ガス再循環系統とを備えた複合サイクル発電プラントにおいて、
低余剰空気用補助燃焼部（１０）が配備されているものであって、該ＣＯ２回収システム（１８）は、排ガス（１９）の第２の部分的な流れを受入れ後、残りの排ガスの第２の部分的な流れを煙突（３２）から排出し、前記排ガス再循環系統は、ＨＲＳＧから圧縮機の入力側へ排ガス（１９）の第１の部分的な流れを再循環させることを特徴とする複合サイクル発電プラント。
【請求項１２】
前記排ガス（１９）の部分的な流れを前記ＨＲＳＧからの前記煙突（３２）に迂回させるか又は一部を迂回させるために、該ＨＲＳＧの出口から該煙突（３２）へ排ガス迂回路（２４）が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１３】
低余剰空気用補助燃焼部（１０）への外気の供給配管、酸素を多く含む空気の供給配管、酸素の供給配管の中の一つ以上が配備されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１４】
酸素濃縮設備と空気分離ユニットの一つ以上が配備されていることを特徴とする請求項１１から１３までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１５】
圧縮機の入力ガス（２）の入力ガス中の酸素濃度の測定、ガスタービンの熱い排ガス（８）中の残留酸素濃度の測定、熱回収蒸気発生器からの排ガス（１９）中の残留酸素濃度の測定の中の一つ以上のために、少なくとも一つの酸素測定器が配備されていることを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１６】
圧縮機の入力ガス（２）の入力ガス中のＣＯ２濃度の測定、ガスタービンの熱い排ガス（８）中のＣＯ２濃度の測定、熱回収蒸気発生器からの排ガス（１９）中のＣＯ２濃度の測定の中の一つ以上のために、少なくとも一つのＣＯ２測定器が配備されていることを特徴とする請求項１１から１５までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２回収部と補助燃焼部を統合した複合サイクル発電プラントとその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスの発生が地球の温暖化を引き起して、温室効果ガスの発生量が更に増加すると地球の温暖化を加速させることが明らかになった。ＣＯ２（二酸化炭素）は、主要な温室効果ガスとして看做されているので、ＣＣＳ（炭素の回収と貯蔵）が、温室効果ガスの大気中への放出を削減して、地球の温暖化を制御できる重要な手段の一つとして考えられている。そのような意味において、ＣＣＳは、ＣＯ２の回収、圧縮、輸送、貯蔵を行うプロセスとして定義される。回収は、炭素をベースとする燃料の燃焼後の排ガスからＣＯ２を除去するか、或いは燃焼前に炭素を除去して、処理するプロセスとして定義される。排ガス又は燃料ガスの流れからＣＯ２を除去するための吸収剤、吸着剤又はその他の手段の再生は、回収プロセスの一部として考えられる。
【０００３】
ポスト燃焼式回収とも呼ばれるバックエンド式ＣＯ２回収は、ＣＣＰＰ（複合サイクル発電プラント）を含む化石燃料を燃やす発電プラントのための商業的に有望な技術である。ポスト燃焼式回収では、排ガスからＣＯ２を除去する。残った排ガスは、大気中に放出され、ＣＯ２は、運搬と貯蔵のために圧縮される。吸収剤、吸着剤、膜分離、深冷分離などの排ガスからＣＯ２を除去する幾つかの技術が知られている。ポスト燃焼式回収による発電プラントが本発明の対象である。
【０００４】
ＣＯ２回収に関して全ての周知の技術は、比較的大きなエネルギー量を必要としている。従来のＣＣＰＰでは、排ガス中のＣＯ２濃度が約４％しかなく、比較的低いために、従来のＣＣＰＰ用の（ＣＯ２回収プラント又はＣＯ２回収設備とも呼ばれる）ＣＯ２回収システムは、より高いＣＯ２濃度で排ガスが流れる別のタイプの発電プラント用のシステムよりもコストがかかり、回収するＣＯ２のｋｇ当りの消費エネルギーも大きい。
【０００５】
ＣＣＰＰの排ガス中のＣＯ２濃度は、燃料の組成、ガスタービンの形式、負荷に依存し、ガスタービンの動作条件に応じて著しく変化する。そのようなＣＯ２濃度の変化は、ＣＯ２回収システムの性能、効率及び動作性に関して不利となる。
【０００６】
ＣＣＰＰの排ガス中のＣＯ２濃度を高めるために、二つの主要な方式が知られている。一つは、例えば、非特許文献１に記載されている通り、排ガスを再循環させることである。もう一つは、所謂プラントのタンデム配置構成であり、そこでは、第一のＣＣＰＰの排ガスを冷却して、第二のＣＣＰＰ用の入力ガスとして使用し、第二のＣＣＰＰの排ガス中のＣＯ２濃度を高めた排ガスを得るようにしている。そのような配置構成は、例えば、特許文献１に記載されている。これらの方法は、排ガスの全体的な流量を低減し、ＣＯ２濃度を高め、それによって、吸収剤の所要の再生能力と回収システムの消費電力を低減している。
【０００７】
これらの方法及び異なる処理工程を最適化し、これらのプロセスの発電プラントへの統合によって、電力と効率の低下を軽減するための多くの公表された別の方法は、資本支出とＣＯ２回収システムの必要電力を削減することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開第２００８００６０３４６号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】O. Bolland and S. Saether in "NEW CONCEPTS FOR NATURAL GAS FIRED POWER PLANTS WHICH SIMPLIFY THE RECOVERY OF CARBON DIOXIDE" (Energy Convers. Mgmt Vol. 33, No. 5-8, pp.467-475, 1992)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の主な課題は、動作の柔軟性を向上するとともに、ＣＯ２回収による発電能力の低下を軽減した、少なくとも一つのガスタービンと、一つの熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、一つの蒸気タービンと、二酸化炭素（ＣＯ２）回収システムとを備えた複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）とそのようなＣＣＰＰの動作方法を提供することである。
【００１１】
特に、ＣＣＰＰの発電能力に対するＣＯ２回収の影響を最小化する、即ち、ＣＯ２回収システムを含むプラントによって送電網に供給される電力を最大化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本課題に対して、排ガス再循環系統、ＣＯ２回収部及び補助燃焼部を備えたＣＣＰＰの動作方法とそのような方法を実施するためのプラントを提案する。本発明の核心は、ＣＯ２回収システムの必要電力の少なくとも一部を補償する、排ガス再循環系統を備えたＣＣＰＰの排ガス中での補助燃焼バーナーの動作を可能とする、排ガス再循環系統を備えたＣＣＰＰの動作方法である。補助燃焼バーナーは、ＣＣＰＰのＨＲＳＧ内か、ガスタービンからＨＲＳＧへの排ガスダクト内でのダクト燃焼器として配備することができる。
【００１３】
排ガスの再循環のために、ガスタービンの排ガスの流れは、ＨＲＳＧの下流で少なくとも二つの部分的な流れに分割される。第一の部分的な流れは、排ガス再循環用配管を経由してガスタービンの入力に戻され、第二の部分的な流れは、ＣＯ２回収システムを経由して大気中に放出するための煙突に送られる。更に、動作の柔軟性を向上するために、排ガスを大気中に直接放出するためのＣＯ２回収システムの迂回路を配備することができる。それによって、再循環率、ＣＯ２回収ユニットへの排ガスの流量、ＣＯ２を回収せずに排ガスを煙突に直接流す量を組み合わせることが可能となる。
【００１４】
排ガスの再循環は、ＣＯ２回収システムのサイズ、その費用、必要電力を最小化するために実施される。ＣＯ２の回収の最適化のためには、排ガスを再循環する割合を最大化すべきである。再循環率は、ガスタービンの排ガスの質量流量全体に対する、ガスタービンから圧縮機の入力に再循環される排ガスの質量流量の比率として定義される。
【００１５】
ＣＯ２回収効率の向上と排ガスの質量流量の最小化のためには、排ガス中の酸素濃度は、理想的には０％である。ガスタービンの燃焼室を迂回する空気の冷却と完全燃焼を保証するのに必要な余剰酸素のために、再循環を制限して、再循環しても排出ガス中に幾らかの余剰酸素が残るようにする。ガスタービンの動作要件によって決まる典型的な再循環率は、ベース負荷での動作に対して３０％〜５０％のオーダーである。
【００１６】
従来の補助燃焼バーナーは、排ガス中の残留酸素濃度が１０％以上有るものとして構成されている。排ガスを再循環するガスタービン後の残留酸素濃度は、典型的には１０％を下回り、従来の補助燃焼バーナーには不十分である。排ガスを再循環するガスタービンからの排ガスの境界条件下における動作を可能とするために、低余剰空気式補助燃焼バーナーの使用を提案する。そのような意味において、低余剰空気式補助燃焼バーナーとは、低い理論空燃比での酸素濃度が１０％を下回るガス流量で動作することが可能なバーナーである。そのような形式の低余剰空気式補助燃焼バーナーに対する理論空燃比は、２を下回り、有利には、１．５を下回り、或いは１．２さえ下回る。理想的には、そのような形式のバーナーは、出来る限り１に近い理論空燃比で動作することが可能である。
【００１７】
従来のダクトバーナー又は中間バーナーは、空気供給量を追加し、余剰空気の割合を高くした状態で使用することができる。しかし、それは、排ガス中のＣＯ２濃度を低下させて、排ガスの流量を増加させる。そのため、本用途に相応しい解決策ではない。
【００１８】
本発明の文脈において、ＣＯ２濃度又は酸素濃度を使用する代わりに、ＣＯ２含有量又は酸素含有量を使用することもできる。
【００１９】
一つの実施形態では、再循環率は、少なくとも一つの制御器によって制御することができる。それは、例えば、制御可能なダンパー、或いは分離器の下流の排ガス用配管の一方又は両方にフラップ又はバルブのような制御器を備えた固定式分離器とすることができる。
【００２０】
それによって、例えば、ガスタービン内の安定した完全燃焼を維持することができ、ガスタービン後の残留酸素濃度が補助燃焼部の安定した完全燃焼を維持するのに十分であるとの条件の下で実現可能な最も高い割合に再循環率を制御することができる。
【００２１】
そのような意味での安定した完全燃焼とは、ＣＯ及び燃焼しなかった炭化水素の発生量がｐｐｍ又は一桁のｐｐｍのオーダーである所要のレベルを下回ることと、燃焼の脈動が標準設計値以内に留まることとを意味する。発生量のレベルは、典型的には、保証値によって規定される。脈動に関する設計値は、ガスタービン、動作点、燃焼器の構造、脈動の周期に依存する。それらは、燃焼器の圧力の１０％を大きく下回るべきである。典型的には、燃焼器の圧力の１又は２％を下回る。
【００２２】
再循環率は、例えば、外気を再循環の流れと混合した後の圧縮機の入力ガス中の酸素濃度を制御するために使用することもできる。入力ガス中の目標酸素濃度は、例えば、全ての動作条件下において、ガスタービン内での安定した完全燃焼を保証するのに十分な固定値とすることができる。
【００２３】
別の実施形態では、排ガス中の目標酸素濃度は、補助燃焼部の相対的な負荷の関数である。それは、補助燃焼部が停止している限り、ガスタービンの要件に応じて最小化することができる。補助燃焼部が作動している場合、ガスタービンと補助燃焼部の要件を考慮しなければならない。二つの要件の中の大きい方が、排ガス中の目標残留酸素濃度を決める。補助燃焼部自体に必要な残留酸素濃度は、固定値とするか、或いは補助燃焼部のバーナー負荷の関数とすることができる。
【００２４】
更に、補助燃焼部の安定した完全燃焼を保証するために、追加する空気、酸素を多く含む空気、酸素の中の一つ以上をバーナー内に、或いは補助燃焼バーナーの上流に導入することを提案する。
【００２５】
別の実施形態では、再循環率は、固定した割合とするか、或いは補助燃焼部と関係なく決定することができる。そのような条件の下での補助燃焼部の安定した完全燃焼を保証するために、追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上を制御する。
【００２６】
そのような追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上は、固定の流量とすることができる。しかし、ＣＯ２の回収効率を向上するためには、排ガス中の余剰の空気又は酸素は避けるべきである。そのため、追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上の制御を提案する。
【００２７】
一つの実施形態では、追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上は、排ガスを再循環する割合の関数として制御される。
【００２８】
別の実施形態では、追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上は、ガスタービンの排ガス中の残留酸素濃度の関数として制御される。
【００２９】
更に別の実施形態では、追加する空気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量の中の一つ以上は、補助燃焼部の相対的な負荷の関数として制御される。
【００３０】
補助燃焼部の前後の排ガスの温度や排ガスの流速などの更に別のパラメータを使用することができる。
【００３１】
前記の制御パラメータと目標値を組み合わせることが可能である。例えば、排ガス中の残留酸素濃度と補助燃焼部の負荷の関数としての制御を組み合わせることによって、補助燃焼部のための良好な動作条件を得ることができる。
【００３２】
効率を最適化するために、追加する空気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上は、複合サイクル発電プラントの水蒸気サイクル、ＣＯ２回収システム、排ガスの中の一つ以上からの低温の熱によって予熱される。
【００３３】
本方法の外に、それに対応する複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）は、本発明の一部である。
【００３４】
本ＣＣＰＰは、少なくとも一つのガスタービンと、一つのＨＲＳＧと、一つの蒸気タービンと、ＣＯ２回収システムと、一つの補助燃焼部とを備えている。更に、それは、ＣＯ２回収システムへの一つの再循環用配管と一つの排ガス用配管を備えている。
【００３５】
一つの実施形態では、低余剰空気式補助燃焼部が複合サイクル発電プラントのＨＲＳＧ内に配備される。
【００３６】
別の実施形態では、外気、酸素を多く含む空気、酸素の中の一つ以上を低余剰空気式補助燃焼部に供給する配管が配備される。
【００３７】
更に、酸素濃縮設備と空気分離ユニットの中の一つ以上を配備することができる。
【００３８】
更に、圧縮機の入力ガス中の酸素濃度又はＣＯ２濃度の測定、ガスタービンの熱い排ガス中の残留酸素濃度の測定、ＨＲＳＧからの排ガス中の残留酸素濃度の測定の中の一つ以上のために、少なくとも一つの酸素測定器又はＣＯ２測定器を配備することができる。
【００３９】
ＣＯ２の回収による電力損失の補償の外に、プラントの柔軟性の向上、環境条件の変化の影響を補償するための電力の供給、電力需要がピークとなる時間への対応のために、補助燃焼部を使用することもできる。
【００４０】
典型的には、再循環した排ガスは、それを外気と混合してガスタービンの圧縮機に再投入する前に、ＨＲＳＧ後に、再冷却器によって更に冷却しなければならない。一つの実施形態では、再循環率を制御するための制御器は、そのような制御器の熱負荷を低減するために、そのような再冷却器の下流に配備される。
【００４１】
以下において、添付図面を用い、図面を参照して、本発明の特徴及び利点を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】排ガス再循環系統と低余剰空気率式補助燃焼部を備えたバックエンド式ＣＯ２吸収方式のＣＣＰＰの模式図
【図２】排ガス再循環系統を備えたＣＣＰＰのＨＲＳＧ内に配備するための低余剰空気率式補助燃焼バーナーの模式図
【図３】追加の外気又は酸素が供給されない場合の補助燃焼部の相対的な負荷ＳＦloadの関数としての補助燃焼部に必要な正規化されたガスタービンの排ガス中の残留酸素濃度ＧＴO2の模式グラフ
【図４】追加の外気又は酸素Ｆair が供給される場合の補助燃焼部の相対的な負荷ＳＦloadの関数としての補助燃焼部に必要な正規化されたガスタービンの排ガス中の残留酸素濃度ＧＴO2と補助燃焼部後の残留酸素濃度ＳＦO2の模式グラフ
【発明を実施するための形態】
【００４３】
ここで提案する方法を実施するための発電プラントは、従来のＣＣＰＰと、排ガスを再循環するための設備と、補助燃焼部１０と、ＣＯ２回収システム１８とを備えている。
【００４４】
ポスト燃焼式回収部、排ガス再循環系統、補助燃焼部１０を備えた典型的な装置が図１に図示されている。第一の発電機２５を駆動するガスタービン６には、圧縮機用の入力ガス３と燃料５が供給される。圧縮機用の入力ガス３は、外気２と、排ガス再循環用配管を経由して再循環されて来た排ガスの第一の部分的な流れ２１との混合気である。その入力ガスは、圧縮機１で圧縮される。圧縮されたガスは、燃焼器４内での燃料５の燃焼のために使用され、圧縮された熱いガスは、タービン７内で膨張する。その主な出力は、電力と熱い排ガス８である。
【００４５】
ガスタービンの熱い排ガス８は、蒸気タービン１３用の蒸気３０を発生するＨＲＳＧ９を通過する。ＨＲＳＧ９又はガスタービン６からＨＲＳＧ９への排ガスダクトには、補助燃焼部１０が統合されている。この補助燃焼部には、燃料ガス１２と外気／酸素１１が供給される。
【００４６】
蒸気タービン１３は、ガスタービン６と第一の発電機２５と共にシングルシャフト構成で配置されるか、或いは第二の発電機２６を駆動するためにマルチシャフト構成で配置される。更に、蒸気は、蒸気タービン１３から抽出されて、蒸気配管１５を経由して、ＣＯ２回収システム１８に供給される。その蒸気は、戻り配管１７を経由して、復水として蒸気サイクルに戻されて、蒸気サイクルに再投入される。蒸気サイクルは、本発明の課題ではないので、異なる蒸気圧レベル、給水ポンプなどを含まない形で簡略化して、模式的に図示されている。
【００４７】
ＨＲＳＧからの排ガス１９の第一の部分的な流れ２１は、ガスタービン６の圧縮機１の入力に再循環されて、そこで、外気２と混合される。第一の部分的な流れ２１は、外気２との混合前に再循環された排ガス用の冷却器２７で冷却される。
【００４８】
ＨＲＳＧからの排ガス１９の第二の部分的な流れ２０は、ダンパー２９によって、ＣＯ２回収システム１８の方に送られる。
【００４９】
ＣＯ２回収システム１８は、典型的には、吸収剤により排ガスからＣＯ２を除去するＣＯ２吸収ユニットと、吸収剤からＣＯ２を回収する再生ユニットとから構成される。排ガスの第二の部分的な流れ２０の温度とＣＯ２吸収ユニットの動作温度範囲に応じて、排ガス用冷却器２３も必要となる。
【００５０】
ＣＯ２を除去された排ガス２２は、ＣＯ２回収システム１８から煙突３２に放出される。ＣＯ２回収システム１８が動作していないか、部分的な負荷で動作している場合、及び動作の柔軟性を向上させるために、排ガス迂回路２４を経由して、ＨＲＳＧからの排ガスを迂回させるか、その一部を迂回させることができる。
【００５１】
通常の動作では、回収した二酸化炭素３１は、ＣＯ２圧縮機で圧縮されて、圧縮されたＣＯ２は、貯蔵又は更なる処理のために転送される。
【００５２】
より良好に残留酸素濃度を制御するために、酸素濃度とＣＯ２濃度の中の一つ以上を測定する測定器を提案する。例えば、ガスタービン６の入力ガスの組成の制御を改善するために、吸気中のＣＯ２とＯ２の中の一つ以上の測定器３６を配備することができる。例えば、ガスタービンの排ガスの組成を制御するために、ガスタービンの排ガス中のＣＯ２とＯ２の中の一つ以上の測定器３７を配備することができる。例えば、ＨＲＳＧの排ガス１９のガスの組成を制御するために、ＨＲＳＧの排ガス中のＣＯ２とＯ２の中の一つ以上の測定器３８を配備することができる。
【００５３】
ＨＲＳＧ９内で低余剰空気比の外気及び酸素／酸素を多く含む空気１１と共に燃料ガス１２を燃焼するための補助燃焼部１０の例が図２に図示されている。図示されている例では、補助燃焼用のバーナーボックス２８は、ＨＲＳＧの入口の横断面３３又はＨＲＳＧの内部に横向きに、配列の形で間隔を開けて配置されている。ガスタービンの排ガス８は、バーナーボックスの間の流路を通ってバーナーボックス２８を通過しながら、それらの中での補助燃焼の火炎を安定化している。追加の外気又は酸素１１と燃料ガス１２は、バーナーボックス２８に供給されて、燃料ガス噴射孔３４と酸化剤噴射孔３５を介して噴射される。典型的には、酸素は、バーナーボックス２８に直接噴射されるのではなく、外気又は再循環された排ガスのようなキャリヤーガスで薄められてから、燃料ガス１２と接触する。
【００５４】
ＨＲＳＧと補助燃焼部を備えた従来のＣＣＰＰでは、ガスタービンの排ガス８中の酸素濃度は制御されておらず、補助燃焼部の動作と独立している。補助燃焼部は、典型的には、ガスタービンがベース負荷に到達した後単純に作動されて、ガスタービンと独立して動作する。ベース負荷は、典型的には、排ガス中の残留酸素濃度が最も低い動作条件である。酸素濃度は、実際には、そのレベルで一定に留まっており、環境条件の変化による僅かな変動しか起こらない。しかし、従来の補助燃焼部は、前記の条件下では正常に動作しないので、そのような手法は、排ガスの再循環とガスタービンからの熱い排ガス８中の最低限の残留酸素濃度では実行不可能である。
【００５５】
補助燃焼部を備えたＨＲＳＧからの排ガス１９中のＣＯ２濃度を最大化するための第一の手法では、図３に図示されている通り、ガスタービン後の残留酸素濃度ＧＴO2を補助燃焼部の相対的な負荷の関数として制御する。それは、ガスタービンの再循環の限界でガスタービン６を動作させた場合に達成されるガスタービンからの排ガス８の最低限の残留酸素濃度で正規化されている。補助燃焼部の動作のために、ガスタービン後の残留酸素濃度ＧＴO2は、ガスタービンの動作に必要な排ガスの最低限の残留酸素濃度よりも高くする。そのために、再循環率を制限して、補助燃焼を可能とする。
【００５６】
この場合、追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの中の一つ以上１１は、補助燃焼部１０に供給されない。ＣＯ及び燃焼しなかった炭化水素の発生量が低い安定した完全燃焼を保証するために必要な残留酸素の含有量及び濃度の大きさは、反応に必要な温度レベルと燃料ガスの量に依存する。補助燃焼部１０の相対的な負荷が低い場合、完全燃焼を保証するためには、温度を低く、酸素濃度を比較的高くする必要が有る。それは、補助燃焼部後の残留酸素濃度ＳＦO2を高くする。負荷が大きくなると、火炎温度が高くなって、所要の酸素濃度は、それが最小値に到達するまで低下する。補助燃焼部１０の相対的な負荷が高い場合、所要の酸素濃度は再び増加して、噴射される排ガス流量に比例する。補助燃焼部の構成に応じて、所要の残留酸素濃度は、負荷の関数として変化する。例えば、負荷と比例する所要の酸素濃度が可能である。更に、負荷の範囲は、高い方の負荷、例えば、４０％〜１００％の負荷に制限される。如何なる場合でも、補助燃焼部後に得られるＣＯ２を最大化するためには、ＧＴからの排ガス８中の残留酸素濃度を変更する必要が有る。それは、統合した制御の複雑さを増大させるとともに、ＧＴ内での燃焼を不安定にする可能性が有る。更に、それは、ＣＯ２回収システム１８に流入する排ガスの第二の部分的な流れ２０を補助燃焼部の相対的な負荷の関数として変化させることとなる。補助燃焼部に必要な残留酸素濃度は、再循環率を制限して、その結果第二の部分的な流れ２０を最大限に増大させる。
【００５７】
ここで提案する第二の手法では、追加の外気、酸素を多く含む空気、酸素の流れＦair を有する補助燃焼部が配備される。図４に模式的に図示されている通り、補助燃焼部の相対的な負荷に対する補助燃焼部に必要な正規化されたガスタービンの排ガス中の残留酸素濃度ＧＴO2は、補助燃焼部の相対的な負荷と独立して一定に維持することができる。そのため、ガスタービンと補助燃焼部の間の複雑な制御インタフェース又は論理部が不要となる。
【００５８】
ここで提案した第二の手法では、燃料ガスは、追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れＦair を有する補助燃焼バーナー内で燃焼される。それによって、補助燃焼バーナーは、ガスタービンの排ガス中の酸素濃度と独立して動作することができ、Ｏ２濃度が低く、ＣＯ２濃度が高い排ガスを発生する。この方法によって、補助燃焼部の排ガスをガスタービンの排ガスと混合した後に得られた排ガスの混合気中のＣＯ２濃度は希釈されていないか、非常に僅かしか希釈されていない。そのため、排ガスの再循環率は、ガスタービンの排ガス中での最低限の酸素濃度、即ち、最も高いＣＯ２濃度を維持しつつ、ＣＣＰＰからＣＯ２回収プラントに最低限の量の排ガスを送ることを可能とする最大値で構成でき、そして構成すべきである。
【００５９】
更に、安定した完全燃焼を保証するのに必要な正規化された追加の外気、酸素を多く含む空気、酸素の流量Ｆair も図４に図示されている。それは、１００％の負荷で必要な追加の外気又は酸素の流量で正規化されている。補助燃焼部１０の相対的な負荷が低い場合、完全燃焼を保証するのに必要な温度は低く、外気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量Ｆair は比較的大きい。それは、典型的には、理論空燃比を大きく上回り、その結果補助燃焼部後の残留酸素濃度ＳＦO2を高める。負荷が増大すると、火炎温度が上昇して、必要な追加の外気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量Ｆair は、低い速度でしか増加しない。燃料と比較した追加の外気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量Ｆair を低下することができる。理想的には、ほぼ理論空燃比での燃焼を実現することができる。補助燃焼部１０の相対的な負荷が大きい場合、燃料と比較した追加の外気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量Ｆair はほぼ一定に留まる。所要の追加の外気の流量、酸素を多く含む空気の流量、酸素の流量Ｆair は、主に完全燃焼のための十分な酸素濃度を保証するのに必要であり、噴射される燃料ガスの流量に比例する高い速度で増加する。補助燃焼部の構成に応じて、負荷の関数としての所要の残留酸素濃度の依存性は変化する。更に、負荷の範囲は、高い方の負荷、例えば、４０％〜１００％の負荷に制限される。
【００６０】
補助燃焼部後に得られる正規化された残留酸素濃度ＳＴO2も図４に図示されている。それは、１００％の負荷での補助燃焼部後の酸素濃度ＳＦO2で正規化されている。この例では、１００％の負荷で最低値に到達している。１００％の負荷では、燃焼温度が最も高く、それは、完全燃焼を促進して、非常に低い残留酸素濃度とそれに対応する高いＣＯ２濃度にまで速く低下させている。
【００６１】
一般的に、ＣＯ２濃度は、残留酸素濃度に逆比例し、低い酸素濃度は、高いＣＯ２濃度に対応する。
【００６２】
ＣＣＰＰの熱力学プロセスの異なる位置でのＣＯ２及び残留酸素濃度は、主要なプロセスパラメータを用いて決定することができる。入力質量流量、再循環率、燃料の質量流量、噴射される外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れの質量流量Ｆair 、燃焼効率に基づき、入力ガス中、ガスタービン後、補助燃焼部後の酸素濃度とＣＯ２濃度を評価することができる。本発明の一つの実施形態において、そのような評価値が使用される。
【００６３】
ガスタービンの入力質量流量は、測定するのが難しいので、入力質量流量を求めるために、通常は圧縮機の特性に依存しなければならない。圧縮機の経年変化のために、実際の入力質量流量は、その特性による値と異なる可能性が有る。更に、燃料の発熱量は、時間と共に変化する可能性の有る燃料ガスの組成に依存する。そのため、オンライン燃料ガス分析などの追加測定を行うか、或いは不正確さが大きいことを考慮しなければならない。従って、多くの場合、実用上の理由から、ガスの組成を直接測定する方が、より容易である。そのような測定は、別の実施形態の一部である。それらに対応する測定器は、図１に図示されている。
【００６４】
従来のガスクロマトグラフィーの外に、異なるガスの流れの中の酸素濃度及びＣＯ２濃度を測定するための幾つかの異なる方法、システム、測定器が有る。例えば、非分散型赤外線（ＮＤＩＲ）ＣＯ２センサーや化学的ＣＯ２センサーを用いて、ＣＯ２を容易に測定することができる。とりわけ、ジルコニア、電気化学又はガルバニック、赤外線、超音波によるセンサー、レーザー技術を用いて、酸素濃度を測定することができる。最適な動作のためには、速いオンライン式センサーを使用することができる。
【００６５】
前記の図面に図示された実施例に関して、当業者には、それらの実施例と異なる、本発明の範囲内に含まれる実施形態は明らかである。
【００６６】
例えば、送風機は、再循環される排ガスの第一の部分的な流れ２１又はＣＯ２回収システム１８に流れる排ガスの第二の部分的な流れ２０にとって有利である。送風機が無いと、存在する圧力差に対して十分な流量を実現するのに必要なパイプ及び設備のサイズが実現不可能な程大きくなる。
【００６７】
更に、補助燃焼部用の追加の外気の流れ、酸素を多く含む空気の流れ、酸素の流れＦair を使用する場合、水蒸気サイクル、ＣＯ２回収システム１８、排ガスの中の一つ以上からの低温の熱によって、その流れを予熱することができる。例えば、そのために中間圧力の給水から戻された復水を活用することができる。
【００６８】
更に、本質的に圧力低下を引き起こすダンパー又はそれ以外の制御器を制御式送風機に置き換えることができる。それらは、例えば、速度可変送風機、或いは羽根又は案内羽根の角度を制御可能な送風機とすることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１    圧縮機
２    外気
３    圧縮機の入力ガス
４    燃焼器
５    ＧＴ用の燃料ガス
６    ガスタービン（ＧＴ）
７    タービン
８    ガスタービンからの熱い排ガス
９    ＨＲＳＧ（熱回収蒸気発生器）
１０    低余剰空気式補助燃焼部（ＳＦ）
１１    外気、酸素を多く含む空気、酸素の中の一つ以上
１２    補助燃焼部用の燃料ガス
１３    蒸気タービン
１４    復水器
１５    ＣＯ２回収のための蒸気の抽出
１６    給水
１７    復水用戻り配管
１８    ＣＯ２回収システム
１９    ＨＲＳＧからの排ガス
２０    第二の部分的な流れ（ＣＯ２回収システム用の排ガス）
２１    第一の部分的な流れ（再循環用の排ガス）
２２    ＣＯ２を除去した排ガス
２３    排ガス用冷却器
２４    煙突への排ガス迂回路
２５    第一の発電機
２６    第二の発電機
２７    再循環排ガス用冷却器
２８    バーナーボックス
２９    ダンパー
３０    蒸気
３１    回収したＣＯ２
３２    煙突
３３    ＨＲＳＧ入口の横断面
３４    燃料ガス噴射孔
３５    酸化剤噴射孔
３６    吸気用のＣＯ２測定器及び／又はＯ２測定器
３７    ガスタービンの排ガス用のＣＯ２測定器及び／又はＯ２測定器
３８    ＨＲＳＧの排ガス用のＣＯ２及び／又はＯ２測定器
ＣＣＰＰ  複合サイクル発電プラント
ＳＦload  補助燃焼部（ＳＦ）の相対的な負荷
ＧＴO2    ＧＴ後の正規化された残留酸素濃度
ＳＦO2    ＳＦ後の正規化された残留酸素濃度
Ｆair     追加する空気／酸素を多く含む空気／酸素の正規化された流量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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