(57)【要約】      （修正有）【課題】天然ガスの温度（予熱温度）を調整して、信頼性および効率を最適化するための方法を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン１の燃料供給ライン６の天然ガス温度を調整するための方法であって、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の天然ガス含有率を赤外線分析により測定することと、窒素（Ｎ2）含有率を、前記測定された含有率のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の１００に対する補数として算出することと、前記天然ガスエネルギ含有量を示す指標を算出することと、該指標に基づいて前記天然ガス温度を調整することとを含むことを特徴とする方法。【選択図】図１
2014163388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１）の燃料供給ライン（６）の天然ガス温度を調整するための方法であって、
メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の天然ガス含有率を赤外線分析により測定することと、
窒素（Ｎ2）含有率を、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の測定された含有率の１００に対する補数として算出することと、
前記天然ガスエネルギ含有量を示す指標を算出することと、
該指標に基づいて前記天然ガス温度を調整することとを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記天然ガス温度の調整が、
前記指標に対応する複数の範囲を設定することと、
１つの最高温度を各範囲に関連付けることと、
前記天然ガス温度を、前記算出された指標の該当する範囲に対応した最高温度以下に維持することとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記指標は、
前記測定された量のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）と前記算出された量の窒素（Ｎ2）とを含む混合物の低位発熱量を算出することと、
前記測定された量のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）と前記算出された量の窒素（Ｎ2）とを含む前記混合物の分子量を算出することと、
により算出し、
前記指標を
ＮＧＩ＝（ＬＨＶｎｇ／ＬＨＶｃｈ４）・（Ｍｎｇ／Ｍｃｈ４）1/2
または
ＮＧＩ＝（ＬＨＶｎｇ／ＬＨＶｄｅｓ）・（Ｍｎｇ／Ｍｄｅｓ）1/2
により算出し、
ここで
ＬＨＶｎｇは、前記混合物の前記算出された低位発熱量
ＬＨＶｃｈ４は、前記メタンの低位発熱量
ＬＨＶｄｅｓは、前記設計低位発熱量
Ｍｎｇは、前記混合物の前記分子量
Ｍｃｈ４は、メタンの前記分子量
Ｍｄｅｓは、前記設計分子量である、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ガスタービンエンジン（１）が、異なる燃焼室（３，１５）および／または異なる段の燃焼室のために、複数の燃料供給ライン（６ａ，６ｂ）を備えており、
少なくとも１つの燃料供給ライン（６ａ）の前記天然ガス温度が、別の燃料供給ライン（６ｂ）の前記天然ガス温度とは独立して調整されている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
コンプレッサ（２）と、燃焼室（３）と、タービン（４）とを備えたガスタービンエンジン（１）であって、前記燃焼室（３）が、天然ガス温度を調整するための熱交換器（７）を有した燃料供給ライン（６）を備えており、前記ガスタービンエンジン（１）が、
メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の天然ガス含有率を赤外線分析により測定する、少なくとも１つのセンサ（９）と、
窒素（Ｎ2）の含有率を、前記測定された含有率のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の１００に対する補数として算出する制御装置（１０）と、
をさらに備えているガスタービンエンジン（１）であって、
前記制御装置（１０）が、前記天然ガスエネルギ含有量を示す指標をさらに算出し、かつ前記熱交換器（７）が、該指標に基づいて前記天然ガス温度を調整するようにアクチュエータを駆動することを特徴とするガスタービンエンジン（１）。
【請求項６】
前記タービン（４）からの前記煙道ガスが供給される連続燃焼室（１５）と、
該連続燃焼室（１５）で発生した高温ガスを膨張させる第２のタービン（１６）と、
を備えたガスタービンエンジンであって、
前記連続燃焼室（１５）が、前記天然ガス温度を調整するための熱交換器（１７）を有している燃料供給ライン（６ｂ）を備えており、
前記制御装置（１０）が、前記燃焼室（３）の前記燃料供給ライン（６ａ）の前記熱交換器（７）の前記アクチュエータを、前記連続燃焼室（１５）の前記燃料供給ライン（６ｂ）の前記熱交換器（１７）のアクチュエータとは独立して駆動する、請求項５記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービンエンジンの燃料供給ラインの天然ガス温度を調整するための方法およびガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル発電所は、ガスタービンエンジンと蒸気タービンエンジンとを備えている。ガスタービンエンジンには、効率を最適化するために予熱された（すなわち、温度が、ガスタービンエンジンの燃焼室に噴射される前に調整された）天然ガスを供給することができる。通常、予熱は、蒸気サイクルからの蒸気または給水を利用して、天然ガスを最高許容温度まで熱することによって達成される。
【０００３】
天然ガス組成に関する柔軟性は、異なる天然ガスパイプライン、ＬＮＧ港、または天然ガス処理プラントが別途設置されているパイプラインからの供給を受ける複合サイクル発電所にとって重要な特徴である。
【０００４】
一般的に、天然ガス源が変わると、天然ガス組成も変わる。天然ガス組成の変化は、燃焼過程の挙動に変化をもたらし得る。例えば、不活性含有量が大きく、そのため発熱量が低い天然ガスの場合、供給圧力を高くする必要がある。これによって、ガス反応性および混合品質が変化し得る。
【０００５】
このため、複合サイクル発電所（特に、そのような発電所のガスタービン）に供給される天然ガスの組成が測定される。
【０００６】
天然ガスの組成を測定するために、以下の種々の装置が知られている。
−赤外線分析器  この装置によって、炭化水素の測定が可能になる。加えて、応答が非常に速いという利点を有している。これは有益である。というのも、天然ガスの供給（従って、天然ガス組成）は、例えばＬＮＰ発電所において、燃料供給条件に従って高級炭化水素がトリップした場合、週、日または時間単位で、もしくはさらに速く変化し得るからである。赤外線分析器には、窒素（Ｎ2）（天然ガス中のＮ2量は非常に多くあり得る）の天然ガス中の含有量を測定することができないという不都合がある。というのも、この化合物は、赤外線放射に反応しないからである。
−クロマトグラフィ分析器  この装置は、天然ガスの炭化水素含有量および窒素（Ｎ2）含有量を測定することができる。クロマトグラフィ分析器の不都合は、応答が非常に遅いということである。というのも、天然ガス組成を分析するのに数分かかることがあるからである。そのような応答の遅さは、ガスタービンエンジンの燃焼の不安定さにつながることがある。
【０００７】
ガスラインの切り替えが計画されている場合、天然ガス組成の変化はゆっくりと起こることがある（通常、５〜３０分程度）が、予期せぬ事象によって天然ガスの変化が引き起こされる場合は、天然ガス組成の変化は急速に起こることがある（通常、３０秒程度）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示の１つの態様には、天然ガスの温度（予熱温度）を調整して、信頼性および効率を最適化するための方法を提供することが含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
有利には、ガス組成が変動する複合サイクル発電所を、最適な複合サイクル効率で、高い信頼性で連続運転するために、実際のガス組成を測定し、かつ燃料供給ラインまたは別の燃料供給ラインに関して、最高許容燃料ガス温度を規定および制御する。
【００１０】
有利には、この方法は、ガスタービンエンジンの運転が、天然ガスの組成の変化に迅速に応答することを可能にする。
【００１１】
これらの態様および別の態様は、添付の請求項に係る方法およびガスタービンを提供することにより達成される。
【００１２】
別の特徴および利点は、添付の図面に非限定的な例により記載されている、方法およびガスタービンエンジンの、好適ではあるが非排他的な実施の形態の記載からより明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンエンジンの模式図である。
【図２】図１のガスタービンエンジンとは別のガスタービンエンジンの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ガスタービンエンジンの燃料供給ラインの天然ガス温度を調整するための方法であって、
−メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の天然ガス含有率（好ましくは、モル百分率または容積百分率もしくは質量百分率）を赤外線分析により測定するステップと、
−窒素（Ｎ2）含有率を、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の測定された含有率の１００に対する補数として算出する、すなわち、
［Ｎ2％］＝１００％−［ＣＨ4％］−［Ｃ2Ｈ6％］−［Ｃ3Ｈ8％］−［Ｃ4Ｈ10％］−［ＣＯ2％］
となるように算出するステップとを含む方法。
【００１５】
天然ガス含有量の最も大きい部分は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、二酸化炭素および窒素により規定されており、そのため、例えばアルゴンなどの別の成分が天然ガスに含まれていたとしても、それが、要求される精度に関して、窒素の測定に悪影響を与えることはない。加えて、炭化水素含有量が赤外線分析により測定され、かつ窒素含有量が算出されるので、迅速に応答して天然ガスの組成をモニタすることができる。
【００１６】
この方法は、
−天然ガスエネルギ含有量を示す指標を算出するステップと、
−指標に基づいて天然ガス温度を調整するステップと、
をさらに含む。
【００１７】
例えば、天然ガス温度の調整には、指標に対応する複数の範囲を設定することと、１つの最高温度を各範囲に関連付けることと、天然ガス温度を、算出された指標の該当する範囲に対応する最高温度以下に維持することとが含まれる。これは、有利には、ルックアップテーブルを用いて行うことができる。ルックアップテーブルは、ガスタービンエンジンの妥当性テスト時に作成することができる。
【００１８】
天然ガス組成を考慮に入れるために、指標は、
−測定された量のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）と算出された量の窒素（Ｎ2）とを含む混合物の低位発熱量を算出することと、
−測定された量のメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）と算出された量の窒素（Ｎ2）とを含む混合物の分子量を算出することと、により算出することができる。これは、各成分の分子量を、混合物中における割合に鑑みて合計することにより行うことができる。
【００１９】
ＮＧＩ（天然ガス交換）指標は以下のように算出される。
ＮＧＩ＝（ＬＨＶｎｇ／ＬＨＶｃｈ４）・（Ｍｎｇ／Ｍｃｈ４）1/2
ここで、
ＬＨＶｎｇは、混合物の算出された低位発熱量
ＬＨＶｃｈ４は、メタンの低位発熱量
Ｍｎｇは、混合物の分子量
Ｍｃｈ４、メタンの分子量である。
【００２０】
この場合、指標の基準はメタンであるところの燃料である。
【００２１】
あるいは、指標は、ガスタービンエンジンの設計条件を基準にして算出することができる。
【００２２】
この場合、ＮＧＩ指標は、以下のように算出される。
ＮＧＩ＝（ＬＨＶｎｇ／ＬＨＶｄｅｓ）・（Ｍｎｇ／Ｍｄｅｓ）1/2
ここで、
ＬＨＶｎｇは、混合物の算出された低位発熱量
ＬＨＶｄｅｓは、設計低位発熱量
Ｍｎｇは、混合物の分子量
Ｍｄｅｓは、設計分子量である。
【００２３】
ガスタービンエンジンが、異なる燃焼室および／または異なる段の燃焼室のために、複数の燃料供給ラインを備えている場合、少なくとも１つの燃料供給ラインの天然ガス温度を、別の燃料供給ラインの天然ガス温度とは独立して調整することができる。
【００２４】
上述の方法は、コンプレッサ２と、燃焼室３と、タービン４とを備えたガスタービンエンジン１において実施することができる。
【００２５】
燃焼室３は、天然ガス温度を調整するため（すなわち、燃料供給ライン６を介してガスタービン１の燃焼室３に供給される天然ガスを予熱するため）の熱交換器７を有している燃料供給ライン６を備えている。
【００２６】
熱交換器は、種々のタイプであってもよく、かつ熱交換器には、例えば、例として、蒸気、冷却用空気冷却器からの温風または温水などの種々の温流体を供給することができる。
【００２７】
加えて、ガスタービンエンジン１は、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の天然ガス含有率を赤外線分析により測定するためのセンサ９を備えている。赤外線分析を使用しているので、この測定は非常に速い（数秒）。
【００２８】
センサ９は、窒素（Ｎ2）の含有率を、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）および二酸化炭素（ＣＯ2）の測定された含有率の１００に対する補数として算出するための制御装置１０に接続されている。
【００２９】
加えて、制御装置１０は、天然ガスエネルギ含有量を示す指標の算出もする。この指標に基づいて、制御装置１０は、天然ガス温度を調整するように熱交換器用のアクチュエータを駆動する。
【００３０】
通常、アクチュエータは、蒸気流量、温風流量または温水流量を調節する弁により形成されている。他の種類のアクチュエータでもよい。
【００３１】
この方法が、上述のガスタービンエンジンにおいて実施される場合、ルックアップテーブルを使用することができる。
【００３２】
従って、算出されたＮＧＩが、例えば０．７５である場合、図１のガスタービンエンジンの燃焼室３に噴射される天然ガスの最高温度は、ルックアップテーブルに基づく所定の温度である。天然ガスは、この所定の温度またはこの所定の温度より低い温度で予熱される。
【００３３】
この方法は、連続燃焼するガスタービンエンジンにおいても使用することができる。
【００３４】
図２は、連続燃焼するガスタービンエンジンを示している。図２において、図１と同じ参照番号は、同じまたは類似の構成部品を示している。すなわち、ガスタービンエンジン１は、コンプレッサ２と、燃焼室３と、タービン４と、熱交換器７と、センサ９と、制御装置１０とを備えている。
【００３５】
加えて、ガスタービンエンジン１は、タービン４からの煙道ガスが供給される連続燃焼室１５と、連続燃焼室１５で発生した高温ガスを膨張させる第２のタービン１６とを備えている。
【００３６】
この実施例では、燃焼室３の燃料供給ラインは、参照符合６ａで示されており、連続燃焼室の燃料供給ラインは、参照符合６ｂで示されている。
【００３７】
燃料供給ライン６ｂは、天然ガス温度を調整する熱交換器１７を有している。
【００３８】
制御装置１０は、連続燃焼室１５の燃料供給ライン６ｂの熱交換器１７のアクチュエータとは独立して、燃焼室３の燃料供給ライン６ａの熱交換器７のアクチュエータを駆動している。
【００３９】
この方法が、上述のガスタービンエンジンにおいて実施される場合、ルックアップテーブルを使用することができる。
【００４０】
従って、算出されたＮＧＩが、例えば０．７５である場合、燃焼室３に噴射される天然ガスの最高温度は所定の温度であり、かつ燃焼室１５に噴射される天然ガスの最高温度は、この所定の温度である。
【００４１】
ガスタービンエンジンの運転は、記載および図面から明らかとなり、かつ実質的に以下のとおりである（図２を参照）。
【００４２】
空気が、コンプレッサ２で圧縮され、かつ燃焼室３に供給される。燃焼室３には、天然ガスも供給される。天然ガスが燃焼され、高温ガスを発生させる。高温ガスが、タービン４で膨張される。タービン４からの排ガスが、連続燃焼室１５に供給される。連続燃焼室１５には、別の天然ガスが提供され、かつ燃焼され、高温ガスを発生する。この高温ガスは、第２のタービン１６で膨張され、次いで排出される。
【００４３】
共通のラインによって、燃料が燃料供給ライン６ａおよび６ｂに供給される。センサ９は、メタン、エタン、プロパン、ブタンおよび二酸化炭素の含有量（割合）を測定する。この測定は、非常に迅速である（数秒）。メタン、エタン、プロパン、ブタンおよび二酸化炭素の含有率に関する情報が、制御装置１０に提供される。制御装置１０は、窒素の含有量（割合）と、測定された割合のメタン、エタン、プロパン、ブタンおよび二酸化炭素と算出された割合の窒素とを含む混合物の分子量とを算出する。総量は必ずしも１００％ではないかもしれないが、このことが調整に影響することはない。
【００４４】
次いで、ＮＧＩ指標が算出され、例えばルックアップテーブルに基づいて、燃焼室３および連続燃焼室１５に供給される天然ガスの最高温度が求められる（これらの温度は概して異なるが、同じであることもある）。
【００４５】
天然ガスの温度は、求められた最高温度を超えてはならない。すなわち、天然ガスの温度は、最高温度未満であってよい。しかし、効率性のために、好ましくは、天然ガス（予熱）の温度は、最高温度またはそれに近い値に調整される。
【００４６】
当然、記載された特徴は、互いに独立して提供されてもよい。
【００４７】
実際には、使用している材料および寸法は、要件および技術水準に従って任意に選択することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  ガスタービンエンジン
２  コンプレッサ
３  燃焼室
４  タービン
６  燃料供給ライン
６ａ，６ｂ  燃料供給ライン
７  熱交換器
９  センサ
１０  制御装置
１５  連続燃焼室
１６  第２のタービン
１７  熱交換器
【図１】
2014163388.tif 000003
【図２】
2014163388.tif 000004
【外国語明細書】
2014163388.tif 000005
2014163388.tif 000006
2014163388.tif 000007
2014163388.tif 000008
2014163388.tif 000009
2014163388.tif 000010
2014163388.tif 000011
2014163388.tif 000012
2014163388.tif 000013
2014163388.tif 000014
2014163388.tif 000015
2014163388.tif 000016
2014163388.tif 000017
2014163388.tif 000018
2014163388.tif 000019
2014163388.tif 000020
2014163388.tif 000021
2014163388.tif 000022
2014163388.tif 000023