(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料ガスの温度を制御するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】タービン３４０の排気は導管３４２から排熱回収ボイラ３４４に接続している。弁３９２は、導管２４９および２５１への高圧給水流の相対流量を制御する。混合器３８０には、排熱回収ボイラ３４４からの中圧給水流が導管３４６を介して、排熱回収ボイラ３４４からの高圧給水流が導管３９０を介して、および冷水が導管３８２を介して導入される。混合器３８０の出力パラメーターは、測定装置３９６により測定され、測定装置３９６は弁３９２および弁３８４に制御信号を送って高圧給水流および冷水の流量を制御する。加湿燃料ガスと非加湿燃料ガスは、混合器３２６内で混合され、導管３２８を介して熱交換器３３０へ供給されて加熱された後、タービン３４０に導入される。燃料ガスの組成および温度を設定するための基準として修正ウォッベ指数を適用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの温度を制御する方法であって、
燃料ガスの燃焼からの排気を用いて、排熱回収ボイラ（３４４）で中圧給水流（３４６）及び高圧給水流（３９０）を発生させる段階、
中圧給水流（３４６）を混合器（３８０）に導入する段階、
高圧給水流（３９０）を混合器（３８０）に導入する段階、
中圧給水流（３４６）と高圧給水流（３９０）を混合器（３８０）内で混合する段階、
混合器（３８０）から出力流（３９８）を出力する段階、
出力流（３９８）を熱交換器（３３０）に導入する段階、及び
熱交換器（３３０）内で燃料ガスを加熱する段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
冷水流（３８２）を混合器（３８０）に導入する段階、及び中圧給水流（３４６）と高圧給水流（３９０）と冷水流（３８２）とを混合器内で混合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
高圧給水流（３９０）の圧力に作用する減圧弁（３９４）を調節することによって、出力流（３９８）の圧力を制御する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
出力流（３９８）の圧力又は温度を監視する段階、及び
燃料ガスの修正ウォッベ指数に影響を与えるために出力流（３９８）の目標温度又は圧力に達するように高圧給水流（３９０）の質量流量を増減させる段階
をさらに含み、熱交換器内で燃料ガスを加熱する段階で、修正ウォッベ指数を制御するとともに、燃料ガスの修正ウォッベ指数の１０％以上の誤差の補正を促進する、請求項１記載の方法方法。
【請求項５】
出力流（３９８）の温度を監視する段階、
出力流（３９８）の圧力を監視する段階、及び
燃料ガスの修正ウォッベ指数に影響を与えるために出力流（３９８）の目標温度及び目標圧力に達するように高圧給水流（３９０）の質量流量を増減させる段階
をさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
熱交換器（３３０）から燃料ガスを出力する段階をさらに含み、熱交換器を出た後の燃料ガスが３３５°Ｆ以上の温度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
熱交換器（３３０）から燃料ガスを出力する段階をさらに含み、熱交換器を出た後の燃料ガスが４２５°Ｆ以上の温度を有する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
発電システムであって、
ガスタービン（３４０）に導入される前の燃料ガスを加熱するための熱交換器（３３０）、
加熱された燃料ガスと空気が送られるガスタービン（３４０）であって、電気エネルギー（３０６）を発生させるガスタービン（３４０）、
中圧給水及び高圧給水を発生させるための排熱回収ボイラ（３４４）、及び
排熱回収ボイラで発生した中圧給水と排熱回収ボイラで発生した高圧給水を混合するための混合器（３８０）であって、その出力流が熱交換器（３３０）に導入される混合器（３８０）
を備えるシステム。
【請求項９】
混合器（３８０）で、排熱回収ボイラ（３４４）で発生した中圧給水と排熱回収ボイラ（３４４）で発生した高圧給水と冷水供給からの冷水とを混合する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
混合器の出力流が、混合器（３８０）に導入される前の高圧給水流の圧力を制御する減圧弁（３９４）によって制御された圧力を有する、請求項８記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの燃焼器での燃焼挙動を制御する方法及びシステムに関し、具体的には、実測した燃焼器への燃料流量及びガスタービンへの熱入力に基づいて、様々な燃料ガス組成及び温度に対して燃焼挙動を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用タービンはガス燃焼式のものが多く、発電機を駆動して電気エネルギーを発生さえるため発電プラントに常用される。例えば、図１に、全体を符号１０で示す単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンの概略図を示す。ガスタービンは、ロータシャフト１４を有する軸流圧縮機１２を備える。空気は圧縮機の入口１６に入って、軸流圧縮機１２で圧縮され、燃焼器１８へと吐出され、そこで天然ガスのような燃料を燃焼させてタービン２０を駆動する高エネルギー燃焼ガスを発生させる。タービン２０では、高温ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部はシャフト１４を介した圧縮機１２の駆動に使用され、残りは、発電のためロータシャフト２４による発電機２２のような負荷を駆動するための有用な仕事に利用できる。タービンからの排熱（符号２６で示す）は、例えば複合サイクルシステムでは他の目的に使用できる。また、本発明にしたがって燃焼器１８への燃料入口を加熱するための熱交換器２８も示してある。
【０００３】
現在の燃料ガスの加熱法は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の中圧エコノマイザから中圧（ＩＰ）給水を取って性能熱交換器へと配管することである。図２は、単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンにおける現行の燃料ガス加熱法の概略を示す。一般に、タービンへの入力は燃料ガス２０２と空気２０４とを含んでおり、出力は電気エネルギー２０６を含む。燃料ガス２０２は導管２１０を介してシステムに導入され、、弁２１２で導管２１４と導管２１６とに分けられる。導管２１４を介して、燃料ガスは燃料ガスサチュレータ２１８に入り、そこで燃料ガスが加湿される。燃料ガスサチュレータ２１８のその他の入力としては、導管２２０から導入される水がある。未使用の水は導管２２２を介して燃料ガスサチュレータ２１８から排出され、加湿燃料ガスは導管２２４を介して燃料ガスサチュレータ２１８から出る。導管２１６及び２２４を介して加湿燃料ガスと非加湿燃料ガスは混合器２２６内で混合され、熱交換器２３０へと供給され、燃料ガスを熱交換器で加熱してから導管２３２からタービン２４０に導入される。
【０００４】
空気２０４は導管２３４を介して圧縮機２３６へ入り、圧縮され、導管２３８を介してタービン２４０へ吐出される。タービン２４０は燃焼器（図示せず）を備えており、空気の存在下で燃料ガスを燃焼させて熱を発生させ、発電機（図示せず）を駆動して電力を発生させる。電気エネルギー２０６はキャリア２５０を介してタービン２４０から出る。排気は導管２４２を介してタービン２４０から排出され、導管２４２はＨＲＳＧ２４４と接続している。ＩＰ給水は導管２４６を介してＨＲＳＧ２４４から排出され、導管２４６でＩＰ給水を熱交換器２３０に導入して供給ガスを加熱する。供給ガスを加熱した後、ＩＰ給水は導管２４８を介して熱交換器２３０から排出される。ＨＲＳＧ２４４の中圧エコノマイザからの高圧（ＨＰ）の給水は導管２４５を介してＨＲＳＧ２４４から排出さ、導管２４５は一連のドラム２４７（例えば、低圧、中圧、及び高圧）を加熱できるようにＨＰ給水を移送する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、発電用タービンに導入し得る燃料ガスの温度の制御方法を提供する。当該方法は、（ｉ）燃料ガスの燃焼からの排気を用いて、排熱回収ボイラで中圧給水流及び高圧給水流を発生させる段階、（ｉｉ）中圧給水流を混合器に導入する段階、（ｉｉｉ）高圧給水流を混合器に導入する段階、（ｉｖ）中圧給水流と高圧給水流を混合器内で混合する段階、（ｖ）混合器から出力流を出力する段階、（ｖｉ）出力流を熱交換器へ導入する段階、及び（ｖｉｉ）熱交換器内で燃料ガスを加熱する段階を始めとする幾つかの段階を含む。
【０００６】
別の実施形態では、電力を発生させるためのシステムを提供する。当該システムは、ガスタービンに導入する前の燃料ガスを加熱するための熱交換器、加熱された燃料ガスと空気が送られるガスタービンであって、電気エネルギーを発生させるガスタービン、中圧給水及び高圧給水を発生させるための排熱回収ボイラ、及び排熱回収ボイラで発生した中圧給水及び高圧給水を混合するための混合器であって、その出力流が熱交換器に導入される混合器を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
例えば、天然ガス、プロパンやブタンのようなＬＮＧ、精油所ガス、石炭ガスを始めとする様々な種類の燃料ガスをタービンの燃焼器に使用し得る。これらの各燃料のエネルギー含量は、その原料によって異なり、様々な種類の燃料でエネルギー含量が変動することはいうまでもない。燃焼器に供給される燃料ガスの温度もシステム毎に大きく異なる。例えば、ガスタービンの出力から電力を発生させる多くの電力プラントでは、燃焼器に一定（又は目標）の燃料ガス温度を供給するため燃料ガスヒータが設けられていることがある。他の発電所では、温度を高めるための多数のブースト圧縮機を有する。このようにして、様々な発電所では温度及び圧力の異なる燃料ガスが供給される。さらに、発電所によっては、燃料ガスが幾つかの供給業者から供給されるが、これは燃料ガスの温度及び組成が共に変動しかねないことを意味する。
【０００８】
燃料ガスの組成及び温度を設定するための基準は、修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）と呼ばれるパラメータで特徴付けられる。ＭＷＩによって、様々な温度での各種燃料ガスの体積エネルギー含量を対比することができる。ガスタービンは、燃焼器で放出されたエネルギーとしか反応せず、燃料流制御プロセスは概して体積流量制御プロセスであるので、組成の異なる燃料であってもＭＷＩ値が比較的近ければ概して同じ燃料制御システムに供給できる。
【０００９】
ＭＷＩは以下の通り定義される。
【００１０】
【数１】
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ＭＷＩの許容変動は概して±５％未満である。所定の値からのＭＷＩの変動は、容認しがたいレベルの燃焼挙動を招くおそれがある。すなわち、燃焼挙動は部分的にはＭＷＩの関数である。したがって、所定の値からのＭＷＩの変動が高いレベルで作動すると、機械設備の障害、又は燃焼システムの部品の寿命の減少及び／又は発電機能の停止を招きかねない。
【００１１】
上記で定義した通り、ＭＷＩは、ガスタービン燃焼器へ噴射されるあるエネルギー量の体積流量の尺度であり、所定のシステム設計におけるガス燃料の互換性の尺度となり得る。起源の異なる燃料又はガス混合組成の異なる燃料は、エネルギー含量が異なることがある。ガスタービンの燃料システムは、一般に、あるエネルギー含量を有する公称体積流量に合わせて設計される。設計外の体積流量は、燃焼挙動その他の問題を生じかねない。そこで、様々な混合燃料を利用するガスタービンでは、状況に応じてＭＷＩを制御する方法が必要とされる。
【００１２】
本発明の方法及び装置の実施形態では、燃料の温度の修正によってＭＷＩを制御する。燃料は、設計点の数％上で加熱することができる。こうして、燃焼すべき燃料のＭＷＩ値の許容範囲を拡大できる。これは起動時のような過渡期間にも役立ち、システムが定常状態運転に達するまでに要する時間を短縮させる。
【００１３】
一実施形態では、この制御は、高圧（ＨＰ）給水をＨＲＳＧからのＩＰ給水と混合することによって組み込む。これによって、性能熱交換器での熱伝達を高めて、公称燃料温度よりも高くすることができる。例えば、システム起動後１時間又は以上、ＨＰ給水をＩＰ給水と混合してもよい。
【００１４】
本発明の少なくともある実施形態は、燃料ガス供給システムに使用することができる。本発明の少なくともある実施形態は、供給燃料が変化してＭＷＩが５％許容範囲を超えて増加した場合であっても、有効ＭＷＩ制御範囲を増大させて、タービンを調整点付近で作動させることができる。
【００１５】
有効ＭＷＩ制御範囲を増大させるには、性能熱交換器でのガスの加熱に用いられるＩＰ給水の温度を高めなければならない。換言すれば、性能加熱システムは、設計点を超えて加熱することができるある程度の余裕をもって設計しなければならない。この追加熱容量は、燃焼によって公称ＭＷＩ設定値の−５％未満に下がったときに、ＭＷＩを仕様値に戻すのに使用できる。
【００１６】
ＩＰ給水の温度を高めるため、ＨＰ給水をＩＰ給水と混合する。ＨＰ給水の圧力は、ＩＰ給水ラインでＨＰ給水の逆流を起こさずに混合器を使用できるように、ＨＰ給水の圧力を下げる。システムには、迅速なガス冷却が必要とされる（ＭＷＩが許容範囲未満である）ときにＩＰ給水と混合することができる冷水ラインを組み込んでもよい。これら３つの流れは、温度の上昇又は低下したＩＰ給水のいずれかを生じさせるため、一度に２つの流れを混合する。ＭＷＩがシステムの仕様範囲内にある通常作動条件下では、ＩＰ給水を混合せずにそのままの温度で使用できることはいうまでもない。
【００１７】
柔軟性に富む燃料供給（すなわち燃料ガスの組成の変化）を支援するため、修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）制御の可能性について検討した。本発明のある実施形態は、性能熱交換器を用いてガス温度（ひいてはＭＷＩ）の制御能力を高める。現行の設計でも燃料温度を下げることによってＭＷＩを調節し得るが、性能熱交換器は既にそのガス加熱能力の上限で作動されており、図５に示すように、公称ＭＷＩの−１５％から＋１％の範囲でＭＷＩを制御することができる。
【００１８】
計画された燃料低位発熱量（ＬＨＶ）は公称値から±８％の範囲である。燃焼限界のため、ＭＷＩは公称値の±５％以内に制御すべきである。現行の設計では、誤差は＋８％から７％にしか減らせない。本発明のある実施形態では、誤差は＋８％から、ＭＷＩ誤差の許容範囲内の＋３％に減少させることができる。
【００１９】
現行の設計では限られた範囲でＭＷＩを調節することができるが、本発明の少なくともある実施形態では、ＭＷＩを制御し得る範囲が拡大される。性能熱交換器に入る水の圧力を高めると、ＭＷＩの調節可能な上限はさらに増大する。これは、ＨＰ給水を用いて混合した水の圧力を上昇させて、水の飽和点を上昇させ、蒸気を生じさせずにその温度を高めることによって可能となる。
【００２０】
図３は、単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンにおける本発明の実施形態の概略を示す。一般に、タービンへの入力は燃料ガス３０２と空気３０４とを含んでおり、出力は電気エネルギー３０６を含む。燃料ガス３０２は導管３１０を介してシステムに導入され、、弁３１２で導管３１４と導管３１６とに分けられる。導管２１４を介して、燃料ガスは燃料ガスサチュレータ３１８に入り、そこで燃料ガスが加湿される。燃料ガスサチュレータ３１８のその他の入力としては、導管３２０から導入される水がある。未使用の水は導管３２２を介して燃料ガスサチュレータ３１８から排出され、加湿燃料ガスは導管３２４を介して燃料ガスサチュレータ３１８から出る。導管３１６及び３２４を介して加湿燃料ガスと非加湿燃料ガスは混合器３２６内で混合され、導管３２８を介して熱交換器３３０へと供給され、燃料ガスを加熱してから導管３３２を介してタービン３４０に導入される。混合器３２６への入力を制御することによって、タービン３４０に導入される燃料ガスの水分量を制御できる。
【００２１】
空気３０４は導管３３４を介して圧縮機３３６へ入り、圧縮され、導管３３８を介してタービン３４０へ吐出される。タービン３４０は燃焼器（図示せず）を備えており、空気の存在下で燃料ガスを燃焼させて熱を発生させ、発電機（図示せず）を駆動して電力を発生させる。電気エネルギー３０６はキャリア３５０を介してタービン３４０から出る。
【００２２】
排気は導管３４２を介してタービン３４０から排出され、導管３４２はＨＲＳＧ３４４と接続している。ＨＲＳＧ３４４の中圧エコノマイザからのＩＰ給水は導管３４６を介してＨＲＳＧ３４４から排出され、導管３４６はＩＰ給水を混合器３８０に導入する。ＨＲＳＧ２４４の中圧エコノマイザからのＨＰ給水は導管２４５を介してＨＲＳＧ２４４から排出され、弁３９２で導管２４９と導管２５１とに分けられる。弁３９２は、導管２４９及び２５１へのＨＰ給水の相対流量を制御する。導管２４９は、一連のドラム２４７（例えば、低圧、中圧及び高圧）を加熱できるようにＨＰ給水を移送する。導管２５１及び弁３９４を介して、ある量のＨＰ給水が導管３９０から混合器３８０に供給される。
【００２３】
導管３４６からのＩＰ給水及び導管３９０からのＨＰ給水に加えて、混合器３８０へのもう一つの入力は導管３８２からの冷水である。混合器３８０からの出力は次いで熱交換器３３０に導入され、そこで供給ガスを加熱する。供給ガスを加熱した後、出力は導管３４８を介して熱交換器３３０から排出される。混合器３８０の出力の作動パラメータ（例えば、温度、圧力など）は  １以上の測定装置３９６によって測定される。測定装置は弁３９２及び３８４に制御信号を送ってＨＰ給水及び冷水の流量を制御する。また、混合器３８０に導入される冷水をポンプ３８６を用いて加圧してもよく、冷水供給源からの導管３８８によって供給される。同様に、ＨＰ給水の圧力を減圧弁３９４によって制御してもよい。
【００２４】
ある実施形態では、ＩＰ給水は３８０°Ｆの温度及び５００００ポンド毎時（ｐｐｈ）の質量流量を有する。ＨＰ給水は６００°Ｆの温度４１００ｐｐｈの質量流量を有する。この実施形態では、混合器３８０の出力は４４０°Ｆの温度を有する。熱交換器３３０に供給される燃料ガスは５５°Ｆの温度を有する。導管３３２を介して熱交換器３３０を出る際の燃料ガスは３３５°Ｆの温度を有する。ある実施形態では、燃料ガスは最高４２５°Ｆの温度を有する。以上の温度及び質量流量は近似的であり、特定の作動条件に応じて種々変更し得る。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態にかかる方法を用いたときの公称燃料温度の関数としてのＭＷＩの変化を示すチャートを示す。図４は、本発明の実施形態に係る方法を用いると、有効ＭＷＩ制御範囲が５％を超えることができることを示している。
【００２６】
ＩＰ給水（一般に３８０°Ｆの温度を有する）だけを使用する従来法では、有効ＭＷＩ制御範囲は１％である。図５は、従来法を用いたときの公称燃料温度の関数としてのＭＷＩの変化を示すチャートを示す。
【００２７】
表１に、例示的な実施形態に係る熱交換器（ＮＴＩＷ−セグメンタルバッフルを備えた水平式）の幾つかの作動条件を例示する。表１は、燃料ガスを４１０°Ｆまで加熱し得ることを示している。
【００２８】
【表１】
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なお、本明細書及び特許請求の範囲に記載された数量及び数値範囲は近似的なものである。
【００２９】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明しれてきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンの概略図。
【図２】単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンにおける従来の燃料ガス加熱法の概略図。
【図３】単純サイクル一軸式ヘビーデューティーガスタービンにおける本発明の実施形態の概略図。
【図４】本発明の実施形態を用いたときの公称燃料温度の関数としてのＭＷＩの変化を示すチャート。
【図５】従来法を用いたときの公称燃料温度の関数としてのＭＷＩの変化を示すチャート。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ガスタービン
１２  軸流圧縮機
１４，２４  ロータシャフト
１６  圧縮機入口
１８  燃焼器
２０，２４０，３４０  タービン
２２  発電機
２６  排熱
２８，２３０，３３０  熱交換器
２０２，３０２  燃料ガス
２０４，３０４  空気
２０６，３０６  電気エネルギー
２１８，３１８  燃料ガスサチュレータ
２２６，３２６，３８０  混合器
２３６，３３６  圧縮機
２４４，３４４  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
２４７，３４７  ドラム
３８６  ポンプ
３９４  減圧弁
３９６  測定装置
【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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