(57)【要約】  本発明は、コンバインドサイクル発電プラント（４０）内でガスタービン（１１）を運転する方法及びこの方法を実施するガスタービンに関する。この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮され、この圧縮された空気が、化石燃料、特に石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給され、燃焼時に発生するガスが、後続するタービン（１６，１７）内で膨張する。このような方法の場合、中間過熱部を有するガスタービン（１１）が使用され、このガスタービン（１１）は、２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張することによって、改良された効率が実現される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にコンバインドサイクル発電プラント（３０，４０）で使用されているガスタービン（１１）を運転する方法にあって、この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮され、この圧縮された空気が、化石燃料、特に石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給され、燃焼時に発生する高温ガスが、後続するタービン（１６，１７）内で仕事をしつつ膨張し、この場合、圧縮した空気の一部が、酸素及び窒素に分解され、酸素が、気化設備（３４）内で合成ガスを生成するために使用され、この場合、圧縮した空気の一部が、高温ガスに曝されたガスタービン（１１）の一部を冷却するために使用される方法において、中間過熱部を有するガスタービン（１１）が使用され、このガスタービン（１１）は、２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張することを特徴とする方法。
【請求項２】
空気分解時に発生する窒素の少なくとも一部が、第２燃焼室（１９）内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
空気分解時に発生する窒素の80〜100％が、第２燃焼室（１９）内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
空気分解時に発生する窒素が、第２燃焼室（１９）内に直接噴射されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
空気分解時に発生する窒素の残りの部分が、第１燃焼室（１８）内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
第１燃焼室（１８）に対して提供される窒素は、この燃焼室内に噴射する前に最初に圧縮機（Ｖ２）内でより高い圧力に圧縮されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
気化設備（３４）内で生成された合成ガスの一部が、別の圧縮機なしに第２燃焼室（１９）内に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
気化設備（３４）内で生成された合成ガスの一部が、最初に圧縮機（Ｖ４）内でより高い圧力に圧縮され、次いで第２燃焼室（１８）内に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
合成ガス及び希釈のために提供される窒素が、同心状の配置で燃焼室（１８，１９）内に噴射され、この場合、窒素流が、合成ガス流を外被状に包囲すること、及び、この噴射は、これらの燃焼室（１８，１９）内に流入する圧縮空気つまり第１タービン（１６）からの排気の方向に対して垂直に実施されることを特徴とする請求項２又は５に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法を実施するガスタービン（１１）にあって、このガスタービン（１１）は、中間過熱部を有するガスタービンとして構成されていて、吸引された空気を圧縮する圧縮機（１３，１４），２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、燃焼が、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、燃料が、第２燃焼室（１９）内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生するガスが、第２タービン（１７）内で膨張するガスタービンにおいて、空気分解設備（３２）が設けられていて、この空気分解設備（３２）は、その入口側が圧縮機（１３，１４）に連結されていて、その出口側が分解時に発生する窒素を流出する窒素管（３２ｂ）及びこの分解時に発生する酸素を流出する酸素管（３２ａ）を有すること、この酸素管(３２ａ)は、合成ガスを生成する設備（３３，…，３８）に送られていること、合成ガス供給管（３１）は、合成ガスを生成する設備（３３，…，３８）から燃焼室（１８，１９）に生成された合成ガスを搬送すること、及び、窒素管（３２ｂ）は、燃焼室（１８，１９）に連結していることを特徴とするガスタービン。
【請求項１１】
窒素を圧縮する圧縮機（Ｖ２）が、空気分解設備（３２）の出口と第１燃焼室（１８）との間の窒素管（３２ｂ）内に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービン。
【請求項１２】
合成ガスを圧縮する圧縮機（Ｖ４）が、合成ガスを生成する設備（３３，…，３８）の出口と第１燃焼室（１８）との間の合成ガス供給管（３１）内に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービン。
【請求項１３】
燃料ノズル(４２)が、第１燃焼室（１８）及び／又は第２燃焼室(１９)内に設けられていて、内側の合成ガス及び外被状に包囲する外側の窒素が、同心状に配置されて圧縮空気つまり第１タービン（１６）からの排気の流れ方向に対して横方向にこれらの燃料ノズルを通じて燃焼室内に流入することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に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、発電設備技術の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念に記載の（固定式）ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
中間過熱部（再熱ガスタービン）を有するガスタービンが公知である（例えば、米国特許出願公開第5,577,378号明細書又は“State-of-the-art gas turbines - a brief update”, ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26参照）。このガスタービンは、柔軟な運転を非常に低い排気ガス放出値で実現する。
【０００３】
中間過熱部を有するこの公知のガスタービンの原理が、図１中に示されている。コンバインドサイクル発電プラント１０の一部であるガスタービン１１が、１つの共通のシャフト１５に配置され相前後して連結された２つの圧縮機、すなわち１つの低圧圧縮機１３及び１つの高圧圧縮機１４並びに１つの燃焼室、すなわち１つの高圧燃焼室１８及び１つの中間過熱燃焼室１９並びに付随するタービン、すなわち１つの高圧タービン１６及び１つの低圧タービン１７を有する。シャフト１５が、発電機１２を駆動する。
【０００４】
この設備の動作を以下に示す：空気が、空気取入口２０を通じて低圧圧縮機１３によって吸引され、最初に中間圧力レベル（約20bar）に圧縮される。次いで高圧圧縮機１４が、その空気を高圧レベル（約32bar）にさらに圧縮する。冷気が、中間圧力レベルと高圧レベルとで分岐され、付随するＯＴＣ冷却器（OTC=Once Through Cooler）２３及び２４内で冷却され、冷却管２５及び２６を経由して、冷却のために燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７にさらに送られる。高圧圧縮機１４からの残りの空気が、高圧燃焼室１８に送られ、そこで燃料供給管２１を通じて供給された燃料の燃焼によって加熱される。次いで対応する排気ガスが、後続する運転中の高圧タービン１６内で中圧レベルに膨張される。この排気ガスは、この膨張後で別の運転中の後続する低圧タービン１７内で膨張される前に中間過熱燃焼室１９内で燃料供給管２２を通じて供給された燃料の燃焼によって再び加熱される。
【０００５】
材料温度を適正な程度に制限するため、冷却管２５，２６を貫流する冷気が、燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の適切な位置に流入される。蒸気を生成するため、低圧タービン１７から来た排気ガスが、廃熱回収ボイラ２７（ＨＲＳＧ＝Heat Recovery Steam Generator）を通じて送られる。この蒸気は、水蒸気循環路内で蒸気タービン２９を貫流し、そこでさらなる仕事をする。排気ガスは、廃熱回収ボイラ２７の貫流後に排気管２８を通じて最終的に外部に排気される。ＯＴＣ冷却器２３，２４は、水蒸気循環路の一部である。過熱蒸気が、この水蒸気循環路の出口で生成される。
【０００６】
大きい柔軟性が、燃焼室１８及び１９内の互いに独立して連続する両燃焼によって得られる；最大効率が、存在する限界内で達成されるように、燃焼室の温度が調整され得る。連続した燃焼系の低い排気ガス値が、固有の低い放出値によって与えられている。これらの固有の低い放出値は、中間過熱時に実現可能である。
【０００７】
他方では、ガスタービン内の１段燃焼部を有するコンバインドサイクル発電プラントが公知である（例えば、米国特許出願公開第4,785,622号明細書又は米国特許第6,513,317号明細書参照）。ガスタービンに必要な石炭から得られる合成ガスの形態の燃料を提供するため、石炭気化設備が、これらのコンバインドサイクル発電プラント内に組み込まれている。これらのコンバインドサイクル発電プラントは、ＩＧＣＣ（IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle）プラントと呼ばれる。
【０００８】
本発明は、このガスタービン型式の利点が中間過熱部を有するガスタービンをＩＧＣＣプラント内で使用することによってこのプラント内で特別な方法で利用可能になり得る    という認識から出発する。
【特許文献１】米国特許出願公開第5,577,378号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第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】
【０００９】
本発明の課題は、化石燃料、特に石炭用の気化設備と協働するガスタービンを運転する、向上した効率を特徴とし、既存の要素によって特に良好に実現できる方法を提供すること及びこの方法を実施す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】
【００１０】
この課題は、請求項１及び１０の特徴の全体によって解決される。中間過熱部を有するガスタービンが、合成ガスによって動作するガスタービン設備内で使用される点が重要である。このガスタービンは、２つの燃焼室及び２つのタービンを有する。この場合、合成ガスが、第１燃焼室内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン内で膨張する。この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービンから来た排気ガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン内で膨張する。
【００１１】
本発明の方法の構成は、空気分解時に発生する窒素の少なくとも一部が第２燃焼室内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用されることを特徴とする。この場合、空気分解時に発生する窒素の特に80〜100％が、第２燃焼室内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用される。
【００１２】
この場合、空気分解時に発生する窒素が、特に直接に、すなわちさらなる圧縮なしに第２燃焼室内に噴射される。
【００１３】
空気分解時に発生する窒素の残りの部分が、特に第１燃焼室内で燃焼する合成ガスを希釈するために使用される。この場合、特に第１燃焼室に対して提供される窒素が、燃焼室内に噴射される前に最初に圧縮機内でより高い圧力に圧縮される。
【００１４】
本発明の別の構成によれば、気化設備内で生成した合成ガスの一部が、さらなる圧縮なしに第２燃焼室内に噴射される。
【００１５】
別の構成は、気化設備内で生成した合成ガスの一部が最初に圧縮機内でより高い圧力に圧縮され、次いで第１燃焼室内に噴射されることを特徴とする。
【００１６】
特に合成ガス及び希釈のために提供される窒素が、同軸状の配置で燃焼室内に噴射される。この場合、窒素流が、合成ガス流を外被状に包囲し、燃焼室内に流入する圧縮空気つまり第１タービンからの排気の方向に対して垂直に噴射する。
【００１７】
本発明のガスタービンの構成は、窒素を圧縮する圧縮機が空気分解設備の出口と第１燃焼室との間の窒素管内に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
もう１つの構成によれば、合成ガスを圧縮する圧縮機が、合成ガスを生成する設備の出口と第１燃焼室との間の合成ガス供給管内に配置されている。
【００１９】
この場合、好ましくは燃料ノズルが、第１燃焼室及び／又は第２燃焼室内に設けられている。内側の合成ガス及び外被状に包囲する外側の窒素が、同心状に配置されて圧縮空気つまり第１タービンからの排気の流れ方向に対して横方向にこれらの燃料ノズルを通じて燃焼室内に流入する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図２中には、本発明の範囲内で例示的に構成され得るような中間過熱部つまり連続燃焼部を有するガスタービンを有するＩＧＣＣプラントが非常に簡略化された図で示されている。このコンバインドサイクル発電プラント３０は、低圧圧縮機１３，後続する高圧圧縮機１４，後続する高圧タービン１６を伴う高圧燃焼室１８及び後続する低圧タービン１７を伴う中間過熱燃焼室１９を有するガスタービン１１を備える。圧縮機１３，１４及びタービン１６，１７が、１つの共通のシャフト１５に固着している。発電機１２が、このシャフト１５によって駆動される。燃料としての合成ガス（Ｈ２，ＣＯ）が、合成ガス供給管３１を経由して燃焼室１８及び１９に供給される。この合成ガスは、石炭気化設備３４内の石炭（石炭供給３３）の気化によって生成される（その他の化石燃料が気化されてもよい）。合成ガス用の冷却装置３５，濾過装置３６及び遊離されたＣＯ２を放出するためのＣＯ２流出口３８を有するＣＯ２分離装置３７が、石炭気化設備３４の後方に連結されている。
【００２１】
酸素（Ｏ２）が、石炭気化設備３４内で石炭を気化するために使用される。この酸素（Ｏ２）は、空気分解設備３２内で得られ、酸素管３２ａを通じて供給される。この空気分解設備３２は、低圧圧縮機１３の出口から圧縮空気を受け取る。この分解と同時に発生する窒素（Ｎ２）が、窒素管３２ｂを通じて高圧燃焼室１８及び低圧燃焼室１９の異なる部分に供給される（図６中の図も参照）。
【００２２】
高温ガスに曝された燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の要素を冷却するため、圧縮された冷気が、圧縮された冷気が、両圧縮機１３及び１４の出口で流出され、後続連結されたＯＴＣ冷却器２３又は２４内で冷却され、次いで対応する冷却管２５及び２６を経由して冷却すべき位置に供給される。
【００２３】
廃熱回収ボイラ２７が、低圧タービン１７の出口に配置されている。連結されている蒸気タービン２９を伴うこの廃熱回収ボイラ２７は、水蒸気循環路の一部である。廃熱回収ボイラ２７から出て行く排気ガスが、排気管２８を通じて外部に排気される。
【００２４】
ガスタービンの燃焼室内で合成ガスを燃焼する時の重要な技術的課題は：
−要求されるガス圧を、気化及び空気分解時に存在するガス圧の上で最小限にすること、
−低い放出値を実現すること、
−フラッシュバック及び振動の限界に対して十分な余裕をとること、及び
−石炭ガスの品質の変化時でも運転中の柔軟性を維持すること及びその他の燃料（天然ガス又は石油）による支援を可能にすることである。
【００２５】
これらの課題は、以下の理由からの構想によるＩＧＣＣプラントの場合は中間過熱部を有するガスタービンによって特に良好に解決され得る：
１．両燃焼室内の燃焼温度が最適に選択される場合、中間過熱時に固有のＮＯＸに関する利点が、合成ガスに対しても引き継がれ得る。図３から分かるように、−１段燃焼に対するＮＯＸ曲線Ａから出発して−窒素による合成ガスの希釈に応じて２段燃焼（曲線Ｂ）時に第１燃焼室内の燃焼温度を低下させることによって、ＮＯＸの放出が、著しく減少するＥ１。次いでこのＥ１は、２段（Ｅ２）中のより高い放出と共に２段燃焼時の全放出に加わる（曲線Ｃ）。この全放出は、１段燃焼に比べて依然として著しい差Ｅ３だけ減少している。
２．中間過熱部を有するガスタービンの運転時の安定性及び柔軟性は、比較の対象になりうる１段燃焼によるガスタービンの場合より大きい。運転限界が、図４にしたがってプリセットされているフレーム温度（ＴＦ）に対する燃料反応度に依存したフレーム消弧（限界領域Ｌ２）及びフラッシュバック及び／又は放出レベル（限界領域Ｌ１）によって一般的に与えられる。この運転限界は、燃料の品質及び燃料の反応度の許容される範囲を決定する。１段燃焼（図４中の曲線）によるガスタービンでは、これらの運転限界は、両側にすぐに到達する。中間過熱部を有するガスタービン（図４中の曲線Ｄ）では、２つの燃焼系が、２つの独立したフレーム温度で、例えばＮＯＸに関してほとんど欠点なしに１段のより低い温度及び２段のより高い温度で運転を可能にするので、この運転限界は明らかに上がる。
３．希釈する窒素（Ｎ２）の大部分が、一般に15〜20 barの圧力で動作する第２燃焼系（燃焼室１９）内に注入される場合、ガス圧に対する要求が最小限にされ得る。気化設備，空気分解設備及びガスタービンの最適な選択は、異なる技術の選択に依存する。最小のガス圧縮つまり最小の出力損失を特徴とする構成が、図５及び６中に概略的に示されている。これらの図は、連続する燃焼の固有の利点を利用する。図５によれば、一方では空気分解設備３２内での空気３９の分解に伴う窒素が、（圧縮機Ｖ１による追加の圧縮なしに）窒素管３２ｂを経由してガスタービン１１の第２燃焼室に直接送られる。その一方で第１燃焼室に送られた窒素は、圧縮機Ｖ２内で圧縮される。これに応じて他方では、石炭気化設備３４内の石炭４０から生成されて濾過設備３６内で濾過された合成ガスが、（圧縮機Ｖ３による追加の圧縮なしに）合成ガス供給管３１を経由して第２燃焼室に直接送られる。その一方で第１燃焼室に送られた窒素は、圧縮機Ｖ４内で圧縮される。両圧縮機Ｖ１及びＶ３の節減は、図５中の×印によって示されている。
【００２６】
図６によれば、第１燃焼室１８及び第２燃焼室１９に送られた質量流ｍ１及びｍ２がそれぞれ、図６からの表にしたがって40〜60％の合成ガス及び0〜20％の窒素（質量流ｍ１）つまり60〜40％及び100〜80％の窒素（質量流ｍ２）を有する場合に、コンバインドサイクル発電プラントの運転が最適になる。このことには、第２燃焼段の混合機内の改良された燃焼の安定性及び混合物の品質の利点がある。
【００２７】
合成ガス（Ｈ２，ＣＯ）及び窒素（Ｎ２）の噴射用の一般的なノズルの構造が、図７中に簡略化して示されている：これらの両ガスが、燃料ノズル４２によって同心状に噴射される。この場合、合成ガスは、中心ノズルを通じて流入する一方で、窒素は、この中心ノズル４４を同心状に包囲している環状ノズル４３を通じて噴射される。この場合、燃料ノズル４２は、燃焼室内に流入する圧縮空気つまり第１タービンからの排気ガスの方向に対して垂直に指向している。窒素が、合成ガスの流れを外被状に包囲することによって、この合成ガスは、遮蔽されて冷却される。その結果、熱い圧縮空気又は排気ガスによる自発点火が明らかに遅くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の技術による中間過熱部つまり連続燃焼部を伴うガスタービンを有するコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。
【図２】本発明を実現するために適している中間過熱部つまり連続燃焼部を伴うガスタービンを有するＩＧＣＣプラントの概略図である。
【図３】ガスタービン用の燃料の窒素希釈（ＳＤ）に対するＮＯＸ放射における中間過熱部あり（曲線Ｃ）及び中間過熱部なし（曲線Ａ）のグラフである。
【図４】ガスタービンに対する燃料反応度（ＦＲ）に応じたフレーム温度の許容範囲における中間過熱部つまり連続する燃焼なし（曲線Ｆ）及び中間過熱部つまり連続する燃焼あり（曲線Ｄ）のグラフである。
【図５】ガスタービンと必要な圧力レベル下にある空気分解設備及び合成ガス生成設備を伴う中間過熱部との協働の簡略図である。
【図６】中間過熱部を有するガスタービンに向かう合成ガス及び希釈する窒素の質量流の割合を図表で示す。
【図７】本発明の範囲内で好適な合成ガス及び窒素用の噴射構造の簡略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０,３０，４０  コンバインドサイクル発電プラント
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  低圧圧縮機
１４  高圧圧縮機
１５  シャフト（ガスタービン）
１６  高圧タービン
１７  低圧タービン
１８  高圧燃焼室
１９  低圧燃焼室
２０  空気取入口
２１，２２  燃料供給管
２３，２４  ＯＴＣ冷却器
２５，２６  冷却管
２７  廃熱回収ボイラ
２８  排気管
２９  蒸気タービン（蒸気サイクル）
３１  合成ガス供給管
３２  空気分解設備
３２ａ  酸素管
３２ｂ  窒素管
３３  石炭供給
３４  石炭気化設備
３５  冷却装置
３６  濾過装置
３７  ＣＯ２分離装置
３８  ＣＯ２流出口
３９  空気
４０  石炭
４１  圧縮空気
４２  燃料ノズル
４３  環状ノズル
４４  中心ノズル
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ  曲線
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３  放出差
ＦＲ  燃料反応度
Ｌ１，Ｌ２  限界領域
ｍ１，ｍ２  質量流
ＳＤ  燃料希釈度
ＴＦ１  フレーム温度
Ｖ１,..,Ｖ４  圧縮機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2009504964.tif 000010
2009504964.tif 000011
2009504964.tif 000012
2009504964.tif 000013
2009504964.tif 000014
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