(57)【要約】【課題】効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供すること。【解決手段】石炭ガス化によって得られる合成ガスによるガスタービン１１の作動方法において、第１及び第２の燃焼器１８，１９並びに第１及び第２のタービン１６，１７を設けてガスタービン１１を二段燃焼再燃方式として構成し、合成ガスを第１の燃焼器１８内に直接導入して該第１の燃焼器１８内で圧縮空気と合成ガスを混合して燃焼させる。さらに、この際発生する高温ガスを第１のタービン１６で膨張させ、第２の燃焼器１９内で第１のタービン１６の出口からのガスを合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第２のタービン１７で膨張させる。
2009504967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１１）によって空気が吸入及び圧縮され、石炭から生成された合成ガスの燃焼のためにこの圧縮空気が第１の燃焼器（１８，１９）に供給され、この燃焼によって発生する高温ガスが第１のタービン（１６，１７）において膨張して仕事をする、特に複合発電プラント（３０）用の前記ガスタービン（１１）の作動方法であって、前記圧縮空気の一部が酸素と窒素に分離されるとともに、この分離された酸素が前記合成ガスの生成に使用され、かつ、前記圧縮空気の他の一部は、前記ガスタービン（１１）における高温ガスにさらされる箇所の冷却に使用される前記ガスタービンの作動方法において、
第２の燃焼器及び第２のタービンを更に設けて前記ガスタービン（１１）を二段燃焼再燃方式として構成し、
前記第１の燃焼器（１８）内で前記圧縮空気と前記合成ガスを混合してこれを４０〜６５ｂａｒの圧力下で燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを前記第１のタービン（１６）で膨張させ、
前記第２の燃焼器（１９）内で前記第１のタービン（１６）の出口からのガスを前記合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを前記第２のタービン（１７）で膨張させ、
前記合成ガスを直接前記第１の燃焼器（１８）内に供給する
ことを特徴とするガスタービンの作動方法。
【請求項２】
空気の分離を４０ｂａｒより大きな圧力下で行うことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの作動方法。
【請求項３】
前記合成ガスの生成を４０ｂａｒより大きな圧力下で行うことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの作動方法。
【請求項４】
前記合成ガスを、４０ｂａｒよりも大きな圧力下で除塵装置を通過させることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの作動方法。
【請求項５】
４０ｂａｒよりも大きな圧力下で前記合成ガスから二酸化炭素（CO2）を除去することを特徴とする請求項１記載のガスタービンの作動方法。
【請求項６】
二段燃焼再燃方式として構成され、かつ、空気を圧縮する圧縮機（１３，１４）と、第１及び第２の燃焼器（１８，１９）と、第１及び第２のタービン（１６，１７）とを備えて成る請求項１記載の作動方法によるガスタービン（１１）であって、前記第１の燃焼器（１８）内で前記圧縮空気と前記合成ガスが混合されてこれが４０〜６５ｂａｒの圧力下で燃焼させられるともに、この際発生する高温ガスが前記第１のタービン（１６）で膨張し、前記第２の燃焼器（１９）内で前記第１のタービン（１６）の出口からのガスが前記合成ガスと混合されてこれが燃焼させられるとともに、この際発生する高温ガスが前記第２のタービン（１７）で膨張する前記ガスタービンにおいて、
出口側を前記第１及び第２の燃焼器（１８，１９）に接続させた石炭ガス化部（３２〜３９）を設けるとともに、これら第１及び第２の燃焼器（１８，１９）に前記石炭ガス化部で生成された合成ガスを燃料として供給し、前記石炭ガス化部（３２〜３９）の出口を前記第１の燃焼器（１８）に直結させたことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
前記石炭ガス化部を、４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する空気分離装置（３２）を含んで構成したことを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
【請求項８】
前記石炭ガス化部を、４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する石炭ガス化炉（３４）を含んで構成したことを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
【請求項９】
前記石炭ガス化部を、４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する除塵装置（３６）を含んで構成したことを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記石炭ガス化部を、４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する二酸化炭素分離装置（３７）を含んで構成したことを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラント技術の分野に属し、請求項１の上位概念に係る（内燃型）ガスタービンの作動方法及び請求項６の上位概念に係るガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、二段燃焼再燃方式のサイクル（再熱サイクル）を有し、フレキシブルな作動と低い排ガス放出値を達成するガスタービンが知られている（例えば特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
ＧＴ２６型ガスタービンの構造は、固有のものであるとともに、本発明が対象とするコンセプトを達成するのに優れている。その理由として、
１）中圧レベルの圧縮空気を分岐する構造を有している点
２）連続的な燃焼により燃焼の安定性が得られるとともに酸素過多を防止することが可能である点
３）圧縮機からの圧縮空気を分岐させるとともに冷却し、この冷却された空気を燃焼器及びタービンの冷却に使用する二次空冷システムを備えている点
が挙げられる。
【０００４】
しかして、従来の二段燃焼再燃方式のガスタービンの概要が図１に示されており、複合発電プラント１０の一部を構成するガスタービン１１は、互いに前後して配置された低圧圧縮機１３及び高圧圧縮機１４、高圧燃焼器１８、低圧燃焼器１９、高圧タービン１６、低圧タービン１７並びにこれらに共通の軸１５を含んで構成されている。なお、軸１５により発電機１２が駆動される。
【０００５】
ここで、このガスタービンの動作を説明すると、まず、空気が空気導入配管２０を通って低圧圧縮機１３へ吸入され、ここで中圧レベル（約２０ｂａｒ）まで圧縮される。次に、この中圧レベルの圧縮空気は、高圧圧縮機１４によって更に圧縮され、高圧レベル（約３２ｂａｒ）まで圧縮される。この際、冷却用の空気が中圧レベル段階及び高圧レベル段階において分岐され、それぞれ第１の冷却器（ＯＴＣ冷却器、ＯＴＣ：Once Through Cooler）２３及び第２の冷却器（ＯＴＣ冷却器）２４で冷却された後、それぞれ第１の冷却空気配管２６及び第２の冷却空気配管２５を通って高圧燃焼器１８、低圧燃焼器１９、高圧タービン１６及び低圧タービン１７へ導入されてこれらの冷却に使用される。
【０００６】
そして、高圧圧縮機１４の出口における冷却空気以外の圧縮空気は、高圧燃焼器１８へ導入され、第１の燃料供給配管２１から供給される燃料の燃焼により高温ガスとなる。この高温ガスは、後流側の高圧タービン１６で膨張し、仕事をする。仕事をして圧力の下がったガスは、低圧タービン１７に導入される前に、更に低圧燃焼器１９において第２の燃料供給配管２２から供給される燃料の燃焼によって再び高温ガスとなる。
【０００７】
ところで、第１及び第２の冷却空気配管２６，２５を通過した冷却空気は高圧燃焼器１８、低圧燃焼器１９、高圧タービン１６及び低圧タービン１７の適当な箇所に噴射され、これら高圧燃焼器１８、低圧燃焼器１９、高圧タービン１６及び低圧タービン１７が異常な高温とならないようになっている。また、低圧タービン１７から排出されたガスは排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ、ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２７へ導入され、ここで蒸気が発生し、この蒸気は、復水サイクル内における蒸気タービン２９で仕事をする。低圧タービン１７から排出された上記ガスは、排熱回収ボイラ２７を通過した後、最終的には排気路２８から外部へ放出される。なお、第１及び第２の冷却器２３，２４は復水サイクルの一部を構成しており、これら第１及び第２の冷却器２３，２４の出口では、過熱蒸気が生成されるようになっている。
【０００８】
また、高圧燃焼器１８及び低圧燃焼器１９での互いに独立した燃焼によって、ガスタービンの作動が非常にフレキシブルとなる。すなわち、燃焼器内の温度をその限界温度内における最大効率を得ることが可能である。そして、連続的な二段燃焼再燃方式によれば、有害ガスの放出の低減を図ることが可能である（所定の条件においては、再燃時にＮＯXを消費させることも可能である。）。
【０００９】
なお、石炭をガス化して得られる合成ガスの形でガスタービンに必要な燃料を供給するために、石炭ガス化炉と統合され、かつ、一段燃焼方式として構成されたガスタービンを備えた複合発電プラントが従来公知であり（例えば特許文献２，３）、このような複合発電プラントは石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ、ＩＧＣＣ：Integrated Gasification Combined Cycle）と呼ばれている。
【特許文献１】米国特許第５，５７７，３７８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７８５，６２２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５１３，３１７号明細書
【非特許文献１】"State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、石炭ガス化複合発電プラントにおいて二段燃焼再燃方式のガスタービンを使用することで、このガスタービンの利点を石炭ガス化複合発電に有効利用しようとするものであり、その目的とするところは、効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、請求項１及び請求項６記載の発明によって達成される。すなわち、本発明は、石炭ガス化によって得られる合成ガスによるガスタービンの作動方法において、第１及び第２の燃焼器並びに第１及び第２のタービンを設けてガスタービンを二段燃焼再燃方式として構成し、第１の燃焼器内で圧縮空気と合成ガスを混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第１のタービンで膨張させ、第２の燃焼器内で第１のタービンの出口からのガスを合成ガスと混合してこれを燃焼させるとともに、この際発生する高温ガスを第２のタービンで膨張させ、合成ガスを直接第１の燃焼器内に供給することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明によるガスタービンの作動方法は、更に空気の分離を４０ｂａｒより大きな圧力下で行うか、合成ガスの生成を４０ｂａｒより大きな圧力下で行うか、合成ガスを４０ｂａｒよりも大きな圧力下で除塵装置を通過させるか、又は４０ｂａｒよりも大きな圧力下で合成ガスから二酸化炭素（CO2）を除去することを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明によるガスタービンは、石炭ガス化部を４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する空気分離装置を含んで構成するか、石炭ガス化部を４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する石炭ガス化炉を含んで構成するか、石炭ガス化部を４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する除塵装置を含んで構成するか、又は石炭ガス化部を４０ｂａｒより大きな圧力下で動作する二酸化炭素分離装置を含んで構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
効率を高めるとともにコストを抑えることが可能な、石炭ガス化複合発電プラントに統合させたガスタービンの作動方法と、この作動方法によるガスタービンを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１にはＧＴ２６型に代表されるような二段燃焼再燃方式のガスタービンが図示されており、空気は、低圧圧縮機１３及び高圧圧縮機１４それぞれにおいて中圧（１１〜２０ｂａｒ）と高圧（＞３０ｂａｒ）まで圧縮される。また、高圧燃焼器１８には、低圧圧縮機１３及び高圧圧縮機１４による圧縮空気の圧力に管路内と燃焼器内における損失圧力を加えた圧力で合成ガスが供給される。
【００１７】
ところで、唯一の燃焼器と１つのガスタービンを備えた従来の石炭ガス化複合発電プラントにおいては、石炭ガス化炉での圧力が約３０ｂａｒであった。そのため、このような石炭ガス化複合発電プラントにおいて１つの燃焼器に代えて二段燃焼再燃方式とする場合には、石炭ガス化炉からの合成ガス（約３０ｂａｒ）を少なくとも１つの圧縮機によって４５ｂａｒより大きな圧力レベルに圧縮する必要がある。
【００１８】
一方、１つの燃焼器を備えた石炭ガス化複合発電プラントにおいて石炭ガス化炉内の圧力を例えば約６０ｂａｒとすると、この圧力を燃焼器内における圧力レベルまで減圧するために膨張機関を設ける必要がある。
【００１９】
そこで、本発明の中心理念は、二段燃焼再燃方式のガスタービンと組み合わされた石炭ガス化複合発電プラントにおいて、空気分離装置３２、石炭ガス化炉３４、除塵装置３６及び二酸化炭素（CO2）分離装置３７を含んで構成される石炭ガス化部を４０〜６５ｂａｒ程度の高圧燃焼器と同等の圧力レベルとすることで、１つの燃焼器を備えたものの圧力レベルを相当超えた圧力レベルでこの石炭ガス化部を作動させることにある。これにより、合成ガスを圧縮する圧縮機を不要とすることが可能となる。
【００２０】
図２には本実施形態による二段燃焼再燃方式のガスタービンと組み合わされた石炭ガス化複合発電プラントの概略が示されており、複合発電プラント３０は、低圧圧縮機１３、高圧圧縮機１４、高圧燃焼器１８、高圧タービン１６、低圧燃焼器１９及び低圧タービン１７から成るガスタービン１１を含んで構成されている。低圧圧縮機１３、高圧圧縮機１４、高圧タービン１６及び低圧タービン１７は軸１５上に設けられており、発電機１２がこの軸１５によって駆動される。
【００２１】
また、高圧燃焼器１８及び低圧燃焼器１９には、石炭供給配管３３から供給される石炭をガス化した合成ガスが燃料として合成ガス供給配管３１から供給される。ここで、石炭ガス化炉３４、合成ガス冷却器３５、除塵装置３６及び二酸化炭素分離装置３７は直列に接続されており、二酸化炭素分離装置３７には更に二酸化炭素（CO2）排出路３８が設けられている。
【００２２】
ところで、空気分離装置３２には低圧圧縮機１３及び高圧圧縮機１４によって圧縮された空気が導入され、ここで酸素（O2）と窒素（N2）に分離される。そして、酸素は酸素供給路３２ａを通って石炭ガス化炉３４へ供給され、窒素は窒素供給路３２ｂを通って低圧燃焼器１９へ供給される。
【００２３】
また、高圧燃焼器１８、低圧燃焼器１９、高圧タービン１６及び低圧タービン１７における高温ガスにされされる箇所を冷却するために、低圧圧縮機１３及び高圧圧縮機１４からの空気を第１及び第２の冷却器（ＯＴＣ冷却器）２３，２４を通過させて冷却し、この冷却空気を第１及び第２の冷却空気配管２６，２５を介して上記高温箇所に導入するようになっている。
【００２４】
しかして、低圧タービン１９の出口側には排熱回収ボイラ２７が配置されており、該排熱回収ボイラ２７は、これに接続された蒸気タービン２９と共に復水サイクルの一部を構成している。なお、排熱回収ボイラ２７からの排気は、排気路２８を通って外部に放出される。
【００２５】
空気分離装置３２、石炭ガス化炉３４、除塵装置３６及び二酸化炭素分離装置３７を含んで構成され、かつ、合成ガスを生成する上記石炭ガス化部は、合成ガスが高圧燃焼器１８に直接供給されるよう構成されている。この際、空気分離装置３２、石炭ガス化炉３４、除塵装置３６及び二酸化炭素分離装置３７のいずれかが４０ｂａｒよりも大きな圧力で動作するよう設定することが考えられる。また、この石炭ガス化部を通過するガスを必要な圧力レベルまで更に昇圧できるよう、適当な箇所に第３の圧縮機を設けることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術による二段燃焼再燃方式のガスタービンを備えた複合発電プラントの概要を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る二段燃焼再燃方式のガスタービンを備えた石炭ガス化複合発電プラントの概要を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０        複合発電プラント
１１        ガスタービン
１２        発電機
１３        低圧圧縮機
１４        高圧圧縮機
１５        軸
１６        高圧タービン
１７        低圧タービン
１８        高圧燃焼器
１９        低圧燃焼器
２０        空気導入配管
２１        第１の燃料供給配管
２２        第２の燃料供給配管
２３        第１の冷却器（ＯＴＣ冷却器）
２４        第２の冷却器（ＯＴＣ冷却器）
２５        第２の冷却空気配管
２６        第１の冷却空気配管
２７        排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
２８        排気路
２９        蒸気タービン
３０        複合発電プラント
３１        合成ガス供給配管
３２        空気分離装置
３２ａ      酸素（O2）供給路
３２ｂ      窒素（N2）供給路
３３        石炭供給配管
３４        石炭ガス化炉
３５        合成ガス冷却器
３６        除塵装置
３７        二酸化炭素（CO2）分離装置
３８        二酸化炭素（CO2）排出路
３９        第３の圧縮機
【図１】
2009504967.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
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2009504967.tif 000006
2009504967.tif 000007
2009504967.tif 000008
2009504967.tif 000009
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