(57)【要約】【課題】  本発明では、改質燃料をガスタービン燃焼器に供給する系統に設置された減圧機器の信頼性を向上させることを目的とする。【解決手段】  本発明は、高温高圧水と重質油とを混合させて改質燃料を製造する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料を主燃料とする燃焼器を有したガスタービンとを備えたガスタービンシステムであって、前記燃料改質器から前記ガスタービン燃焼器に改質燃料を供給する系統上に、前記改質燃料の圧力を減圧する第一の減圧器と、前記改質燃料の圧力を調整する第一の圧力調整弁とを備えたことを特徴とする。【効果】  本発明によれば、改質燃料をガスタービン燃焼器に供給する系統に設置された減圧機器の信頼性を向上させることが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧水と重質油とを混合させて改質燃料を製造する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料を主燃料とする燃焼器を有したガスタービンとを備えたガスタービンシステムであって、
前記燃料改質器から前記ガスタービン燃焼器に改質燃料を供給する系統上に、
前記改質燃料の圧力を減圧する第一の減圧器と、
前記改質燃料の圧力を調整する第一の圧力調整弁とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービンシステムであって、
前記第一の減圧器と前記第一の圧力調整弁とをバイパスする系統上に、第二の減圧器と第二の圧力調整弁とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービンシステムであって、
前記第二の減圧器と前記第二の圧力調整弁とをバイパスする系統上に第三の圧力調整弁を備えたことを特徴するガスタービンシステム。
【請求項４】
高温高圧水と重質油とを混合させて改質燃料を製造する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料を主燃料とする燃焼器を有したガスタービンとを備えたガスタービンシステムであって、
前記燃料改質器から前記ガスタービン燃焼器に改質燃料を供給する系統の上流側から順に、
前記改質燃料の圧力を減圧する減圧器と、
前記改質燃料の圧力を調整する圧力調整弁とを備え、
該減圧器の上流側に設置され、圧力を検出する圧力検出器が出力する改質燃料の圧力値に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御する制御器を設けたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項５】
燃料と空気とを混合燃焼させる燃焼器を備えたガスタービンと、
該ガスタービンが排出する燃焼排ガスと水とを熱交換させる排熱回収ボイラと、
該熱回収ボイラが生成する高温高圧水と加圧された重質油とを熱交換させる重質油加熱器と、
前記熱回収ボイラが生成する高温高圧水と該重質油加熱器から供給される重油とを混合する燃料改質器と、
該燃料改質器が生成する改質燃料を下流側の前記ガスタービンの燃焼器に供給する改質燃料系統を備えた改質燃料焚きガスタービンシステムであって、
前記改質燃料系統上の上流側から順に、
前記改質燃料の圧力を検出する圧力検出器と、
前記改質燃料の圧力を減圧する減圧器と、
前記改質燃料の圧力を調整する圧力調整弁と、
改質燃料を気体と液体に分離する気液分離器とを備え、
前記圧力検出器が出力する改質燃料の圧力値に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御する制御器を設けたことを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
【請求項６】
高温高圧水と重質油とを混合させて改質燃料を製造し、該改質燃料を燃焼器で混合燃焼させてタービンにより発電するガスタービンシステムの改質燃料供給方法であって、
改質燃料を前記燃焼器に供給する際に、
改質燃料の圧力を減圧する工程と、
改質燃料の圧力に基づいて圧力を微調整する工程とを備えたことを特徴とするガスタービンシステムの改質燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンシステムと改質燃料焚きガスタービンシステム及びガスタービンシステムの改質燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
重質油は廉価であるが、高粘度であり、高濃度の硫黄分や重金属分を含有しているため、ガスタービン燃料に適さない。このため、重質油を軽質化と脱硫黄化、及び脱金属化し、ガスタービンにも使用できる燃料を生成する方法が特許文献１に開示されている。この特許文献１には、高温高圧水と重質油とを２５ＭＰａ，３８０℃程度の反応条件で反応させ、熱分解と加水分解を起こさせる技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３８９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、燃料改質器をガスタービンシステムに適用した場合の系統図が開示されている。但し、実際に燃料改質器をガスタービンシステムに適用すると、主要機器による全体構成のヒートバランスは成立しているが、具体的な各個別機器の詳細な構造とシステム、及び熱的評価やその検討を行う必要がある。具体的には、ガスタービンの起動時における非定常状態や定格運転における定常状態でのシステム検討が必要である。
【０００５】
本システムでは、燃料改質器で製造された改質燃料が高温高圧状態であるため、改質燃料を減圧する必要がある。そして、特許文献１では、減圧等の圧力調整に圧力調整弁（減圧弁）を利用する。ただし、圧力調整弁を利用すると、音速噴流による弁体部の磨耗や、弁の故障により機器が停止する可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明では、改質燃料をガスタービン燃焼器に供給する系統に設置された減圧機器の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料改質器からガスタービン燃焼器に改質燃料を供給する系統上に、改質燃料の圧力を減圧する第一の減圧器と、改質燃料の圧力を調整する第一の圧力調整弁とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、改質燃料をガスタービン燃焼器に供給する系統に設置された減圧機器の信頼性を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に各実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図６は、実施例１におけるガスタービンシステム全体を示す構成図である。本実施例では、ガスタービン排熱を利用して得られる高温高圧水（３５０〜５００℃，１０〜３０
ＭＰａ）と重質油とを燃料改質器で混合反応させ、重質油を軽質化して、燃料改質器が改質燃料を製造する。そして、その改質燃料をガスタービン用燃料に利用する。本実施例では、ガスタービンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮空気と燃料とを混合燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスにより回転駆動させるタービン２と、タービン２に同軸に連結された発電機６０とを備える。また、タービン２が排出する燃焼排ガスと重質油や水とを熱交換させる排熱回収ボイラ４もガスタービンに備えられている。そして、本実施例では、燃焼器３に燃料を供給する供給源として燃料改質器７を有する。
【００１１】
まず、ガスタービン起動時には、起動用燃料である軽質油１０を燃焼器３に供給する。また、圧縮機１は外気から取り込む空気２０で圧縮空気を生成し、その圧縮空気を燃焼器３に供給する。そして、燃焼器３が軽油と圧縮空気とを混合燃焼させて、ガスタービンが起動する。燃焼器３が生成した燃焼ガスは、タービン２を駆動させた後、排熱回収ボイラ４に送られる。通常の大型ガスタービンでは、定格運転における燃焼排ガス温度は５６０℃程度である。そして、排熱回収ボイラ４では、タービン２からの燃焼排ガスと重質油や水とを熱交換させる。また、排熱回収ボイラ４は、重質油加熱器５に供給する重質油加熱用蒸気５１と、コンバインドサイクルに利用する蒸気タービン６用の蒸気タービン用蒸気５０も、同時に生成する。なお、蒸気タービン６には、発電機６１，復水器８３およびポンプ８２が備えられ、復水器８３に補給水３４が供給できるように構成されている。
【００１２】
水３０は、水加圧ポンプ８０によって２０〜２５ＭＰａ程度に昇圧されて排熱回収ボイラ４に送られる。排熱回収ボイラ４では、燃焼排ガスと水とを熱交換させ、４５０℃〜
５５０℃程度の重質油改質用の高温高圧水３１を生成する。一方、重質油４０は、重油加圧ポンプ８１によって２０〜２５ＭＰａ程度に昇圧された後、重質油加熱器５に供給される。そして、重質油加熱器５が重質油を３５０℃程度に昇温して、加熱された重質油を燃料改質器７に供給する。
【００１３】
それぞれ昇温昇圧された加熱重質油４１及び高温高圧水３１を燃料改質器７で混合し、燃料改質器７が改質燃料を製造する。燃料改質器７は単筒もしくは複数の円筒容器で構成され、各円筒容器内部で高温高圧水と重質油が混合される。この高温高圧水が有する作用として、重質油との均一層を形成し、重質油中の比較的高分子の油を分解及び軽質化するとともに、油分子中に結合しているバナジウムなどの重金属を分離させる働きがある。燃料改質器７内で、この分離反応により重質油改質および重金属除去が行われ、改質燃料
９０を生成する。そして、改質燃料９０は減圧器１００で減圧された後、燃焼器３に供給され、燃焼用空気と混合燃焼される。本実施例の改質燃料焚きガスタービンシステムは、燃料改質器７が生成した改質燃料を主燃料として、燃焼器３が生成する燃焼ガスでタービン２を駆動するシステムである。
【００１４】
次に、図６において、燃料改質器７から燃焼器３に改質燃料を供給する改質燃料系統を詳細に説明する。図１は、本実施例における燃料改質器７から燃焼器３に至る改質燃料の供給系統図を示す。図１では、燃料改質器７から燃焼器３に至る改質燃料系統上において上流側から順に、減圧器１００上流側の圧力を検出する圧力検出器１２１と、改質燃料
９０を減圧する減圧器１００と、圧力を調整する圧力調整弁１３０と、改質燃料を気体と液体に分離する気液分離器１１０とを設けている。この気液分離器で分離された気体改質燃料と液体改質燃料は、それぞれ気体改質燃料系統９１と液体改質燃料系統９２を通じて燃焼器３に供給される。なお、本実施例では、改質燃料を供給する側を上流側とし、燃焼器側を下流側とする。そして、圧力調整弁１３０には、圧力検出器１２１からの圧力値により圧力調整弁１３０の開度を制御する制御器１２０を有する。
【００１５】
次に本実施例における作用・効果を説明する。燃料改質器をガスタービンシステムに適用した場合、燃料改質器で製造された改質燃料９０は高温高圧状態であるため、改質燃料９０を減圧する必要がある。そのため、特許文献１では改質燃料を減圧するために圧力調整弁を使用した。ただし、圧力調整弁を使用すると、改質燃料の音速噴流により弁体部が磨耗したり、弁が故障する可能性があった。そこで本実施例では、減圧器と圧力調整弁とを組み合わせることにより、減圧器と圧力調整弁により構成された減圧機器の信頼性向上を図っている。
【００１６】
ここで、減圧器と圧力調整弁の特性について説明する。減圧器は、故障が少なく定常流量に対して安定性が高いが、非定常流量（流量変化）に対して制御が困難である。本実施例では、減圧器としてオリフィスを使用する。これに対して、圧力調整弁は、非定常流量（流量変化）に対して制御が容易であるが、流体の音速噴流によって弁体部が磨耗したり、弁が故障する可能性がある。
【００１７】
また、ガスタービンシステムは、その起動等においてシステム本体を加熱する必要があり、高温高圧水である水蒸気のみを燃料改質器に供給する水蒸気単独運転を行う。そして、燃料改質器の温度および圧力の条件が定常状態になった後、徐々に重質油を投入する。重質油を投入すると、水蒸気単独の場合と異なり、改質燃料を燃焼器３に供給する改質燃料系統の流量特性が大きく変化する。そして、改質燃料系統の流量特性変化に伴い圧力も変動する。この改質燃料の圧力変動に対応するために、改質燃料系統に圧力調整弁を使用すると、前述のように弁体部が磨耗したり、弁が故障する可能性があった。次に、オリフィスといった減圧器を使用した場合、流量調整が困難であるため、水蒸気単独から重質油の供給割合が変化するまでの全ての条件における流量特性をカバーしたオリフィスを設計すると、規定量以上の改質燃料を燃焼器に供給する可能性があった。
【００１８】
以上のように、ガスタービンの起動から定格運転に至るまでに、燃料改質器に供給する重質油量の割合変化に対応した改質燃料の流量特性に合わせて、改質燃料の圧力調整を行う必要がある。そこで、本実施例では、定格運転時の流量特性に合わせた構造である減圧器１００と、圧力の微調整を行う圧力調整弁１３０とを組み合わせた。両者によって、ガスタービンの起動時は減圧器１００によって圧力調整され、定格運転時には圧力調整弁
１３０によって圧力調整される。具体的には、図１において、圧力検出器１２１で改質燃料の圧力を検知し、検出器で得られた信号を制御器１２０が認識する。この圧力が設定圧力より低い場合、制御器１２０の信号によって圧力調整弁１３０を徐々に閉めていくことで改質燃料の圧力を上昇させるよう制御する。逆に、改質燃料の圧力が設定圧力より高い場合、制御器の信号によって圧力調整弁１３０を徐々に開けていくことで圧力を低下させるよう制御する。
【００１９】
但し、圧力調整弁１３０の開度を制御するためには、圧力調整弁を通過する改質燃料の臨界流量特性が必要である。この圧力調整弁には、気相の蒸気と改質ガスが流れるとともに、液相の改質油も流れる可能性があるため、圧力調整弁通過時の改質燃料の臨界流量特性は複雑である。そこで、発明者らは圧力調整弁通過時の改質燃料の臨界流量特性を実験により明らかにした。図５は、改質燃料の臨界流量特性を示した図である。横軸は水と重質油の全体量に対する重質油量の割合を示し、縦軸は改質燃料の臨界流量特性を示す。図５より、水と重質油の全体量に対して重質油割合が多くなると、改質燃料の流量特性が増加することが分かる。
【００２０】
図５に示すように、温度・圧力が同一条件で、ある固定条件の減圧器において、重質油と水の混合質量流量を一定とした条件下では、水と重質油の混合割合の変化により、改質燃料の臨界流量特性が変化する。具体的には、重質油割合の増加に伴って改質燃料の臨界流量が増加する傾向にある。即ち、重質油の割合が増加して改質燃料の臨界流量特性が増加すると、減圧器１００を通過する改質燃料の質量流量が多くなる。そのため、減圧器上流側の圧力は徐々に低下する。したがって、重質油割合を増加させる（図５の横軸において右方向に遷移）と同時に臨界流量が増加して（図５の縦軸において上方向に遷移）、改質燃料の圧力が低下することを防止するために、制御器１２０は圧力調整弁１３０の開度を徐々に低減し（弁を閉じる）、減圧器１００の設定圧力を維持する。
【００２１】
但し、システム本体が起動状態の時には、重質油が混合されないか、もしくは、重質油の割合が少ないため、改質燃料の臨界流量特性が小さい。そのため、減圧器１００を通過する改質燃料流量が少なく、減圧器１００上流側の圧力が低下する可能性は低い。したがって、システム起動時のように重質油が少ない条件では、減圧器単体で上流側圧力が保持されるため、圧力を調整する必要性が比較的少ない。このとき、圧力調整弁１３０は、ほとんど全開に近い状態となる。
【００２２】
このように、図５の関係に基づいて圧力調整弁１３０の開度を制御することで、圧力調整弁１３０の弁体部の負担を軽減することが可能となるだけでなく、ガスタービンの運転状態に基づいて的確に改質燃料の減圧及び圧力調整と同時に、減圧機器の信頼性向上を図ることが可能である。
【実施例２】
【００２３】
図２は、実施例２の改質燃料系統を示す。その構造は基本的に図１と同様である。図１との相違点は、燃料改質器で得られた改質燃料の系統を二系統に分岐し、第一の改質燃料系統に減圧器１００と第一の圧力調整弁１３０とを設け、減圧器１００と第一の圧力調整弁１３０とをバイパスする第二の改質燃料系統に第二の圧力調整弁１３１を設けた点である。そして、本実施例では、圧力検出器１２１の圧力値に基づいて、第一の圧力調整弁
１３０と第二の圧力調整弁１３１の開度を制御するように制御器１２０を設置している。これにより、燃料改質器に供給する重質油の割合が急激に変化することで生じる改質燃料の流量特性変化に対して、第二の改質燃料系統に設置された第二の圧力調整弁１３１によって速やかに圧力調整を図ることが可能である。更に、第一の改質燃料系統における第一の圧力調整弁１３０が故障して閉止した際、緊急用として第二の圧力調整弁１３１で圧力調整を行うことができ、減圧機器の信頼性を向上させることが可能である。
【実施例３】
【００２４】
図３は、実施例３の改質燃料系統を示している。その構造は基本的に図１と同様である。図１との相違点は、燃料改質器７で得られた改質燃料９０の系統を二系統に分岐し、第一の改質燃料系統に第一の減圧器１００と第一の圧力調整弁１３０とを設け、第一の減圧器１００と第一の圧力調整弁１３０とをバイパスする第二の改質燃料系統に第二の減圧器１０１と第二の圧力調整弁１３１とを設けた点である。本実施例では、制御器１２０は第一の圧力調整弁１３０と第二の圧力調整弁を制御するが、制御方法は実施例１と同様である。これにより、燃料改質器に供給する重質油の割合が急激に変化することで生じる改質燃料の流量特性変化に対して、第二の改質燃料系統に設置された第二の圧力調整弁１３１によって、速やかに改質燃料の圧力調整を図ることが可能である。また、ある程度余裕を持たせた流量特性の減圧器１０１を利用することで、第二の圧力調整弁１３１における弁体部の負担を軽減することが可能である。したがって、改質燃料９０の圧力調整と同時に減圧機器の信頼性向上を図れる。更に、第一の改質燃料系統の圧力調整弁１３０が故障して閉止した際、緊急用として第二の改質燃料系統の圧力調整弁１３１で改質燃料の圧力調整を行うことができる。
【実施例４】
【００２５】
図４は、実施例４の改質燃料系統を示している。その構造は基本的に図１と同様である。図１との相違点は、燃料改質器７で得られた改質燃料の系統を三系統に分岐し、第一の改質燃料系統に第一の減圧器１００と第一の圧力調整弁１３０とを設け、第一の減圧器
１００と第一の圧力調整弁１３０とをバイパスする第二の改質燃料系統に第二の減圧器
１０１と第二の圧力調整弁１３１とを設け、更に第二の減圧器１０１と第二の圧力調整弁１３１とをバイパスする第三の改質燃料系統に第三の圧力調整弁１３２を設けた点である。本実施例では、制御器１２０は第一の圧力調整弁１３０と第二の圧力調整弁を制御するが、制御方法は実施例１と同様である。また、本実施例では、第一の改質燃料系統をガスタービンの定格運転条件時における改質燃料用の系統とし、第二の改質燃料系統をガスタービンの暖機運転条件時の加熱用水蒸気を通過させる系統とし、第三の改質燃料系統をガスタービンの運転途中条件時における改質燃料と重質油との割合が変化する場合の系統とする。このように、それぞれの改質燃料系統の役割を異ならしめることで、あらゆる流体条件の変化に対応した改質燃料の流量特性に対して改質燃料の圧力調整を行うと同時に、改質燃料供給機器の信頼性向上を図ることが可能である。更に、第一の改質燃料系統の圧力調整弁１３０が故障して閉止した際、緊急用として第二もしくは第三の改質燃料系統の圧力調整弁で改質燃料の圧力調整を行うことができ、減圧機器の信頼性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による改質燃料圧力制御による高温高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの実施例１を示す概要図である。
【図２】本発明による改質燃料圧力制御による高温高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの実施例２を示す概要図である。
【図３】本発明による改質燃料圧力制御による高温高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの実施例３を示す概要図である。
【図４】本発明による改質燃料圧力制御による高温高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの実施例４を示す概要図である。
【図５】改質燃料と重質油との割合と改質燃料の臨界流量特性との関係を示す概要図である。
【図６】高温高圧水を利用する重質油改質ガスタービンシステムを示す概要図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼器、４…排熱回収ボイラ、５…重質油加熱器、６…蒸気タービン、７…燃料改質器、１０…軽質油、２０…空気、３０…水、３１…高温高圧水、３２…改質燃料、３３…低温水蒸気、３４…補給水、４０…重質油、４１…加熱重質油、５０…蒸気タービン用蒸気、５１…重質油加熱用蒸気、６０，６１…発電機、８０…水加圧ポンプ、８１…重油加圧ポンプ、８２…ポンプ、８３…復水器、９０…改質燃料、９１…気体改質燃料系統、９２…液体改質燃料系統、１００，１０１…減圧器、１１０…気液分離器、１２０…制御器、１２１…圧力検出器、１３０，１３１，１３２…圧力調整弁。
【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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