(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飽和器（２０１）と、該飽和器への乾燥燃料ガス入力口（２０７）と、該飽和器内で前記乾燥燃料ガスを加湿するための該飽和器への水入力口と、ガスタービンへ加湿燃料ガスを供給するための出力口（２１３）とを有するガスタービン（１０２）の制御システムにおける、燃料ガス飽和を制御するための方法であって、
前記ガスタービンの予混合燃焼モード運転の際に、前記飽和器への乾燥燃料ガス入力に対する前記飽和器への水入力の比率を実質的に一定に維持するため水流量コントローラ（２０３）によって該飽和器への水の流量を制御する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
乾燥燃料ガス入力に対する水入力の比率を実質的に一定に維持する前記工程は、前記飽和器へ補給水（２０５）を供給することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
飽和器（２０１）と、該飽和器に乾燥燃料ガスを供給するための第１導管（２０７）と、該飽和器からガスタービンに加湿燃料ガスを供給するための第２導管（２１３）、該飽和器に水を供給するための第３導管と、該飽和器への乾燥燃料ガス入力に対する水入力の比率を実質的に一定に維持するために、前記第３導管を通して該飽和器が受け入れる水の流量を制御するための水流量コントローラ（２０３）とを含むことを特徴とする、ガスタービンに加湿燃料ガスを供給するための装置。
【請求項４】
ガスタービン燃料ガス温度、加湿燃料ガスの含水量、組成及び発熱量のうちの少なくとも１つを測定し、それに応じて前記流量コントローラに信号を送るセンサ（３１８）をさらに含み、前記流量コントローラは、加湿燃料ガスのウォッベ数を制御するために、前記信号に応答して前記飽和器への乾燥燃料ガス入力に対する水入力の比率を一方に偏らせることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全ての定常及び過渡運転状態時に、ガスタービンに加湿燃料ガスを終始一貫して安定供給するための燃料ガス飽和器に関し、具体的には、飽和器入力乾燥ガス流量に対する飽和器入力水流量の比率を一定に保つために、燃料ガス飽和器への再循環水の流量を調節するための計装及び制御システムに関する。このように、一貫した加湿燃料特性、特にウォッベ数が、極めて狭い範囲内に維持されて、ガスタービン燃焼装置の必要条件を満たす。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、複合サイクル燃料ガス発電プラントは、ガスタービン、蒸気タービン、熱回収蒸気発生器、燃料過熱器、及び燃料ガス飽和器を含む。乾燥燃料ガスは、燃料ガス飽和器において装置に入り、そこで燃料ガスは、燃料ガス過熱器に入る前に水で飽和される。過熱された後、加湿燃料ガスは、ガスタービン装置に入り燃焼する。燃焼反応による放出ガスは、ガスタービン内で膨張し、発電機に連結されたロータを駆動して電気を発電する。ガスタービンからの排気は、熱回収蒸気発生器に入り、熱回収蒸気発生器は、ガスタービン排気からの熱を利用して、蒸気タービン内で用いられる蒸気、燃料ガス飽和器内で用いられる加熱水を生成し、また燃料ガス過熱器内で燃料ガスを過熱する。熱回収装置内で生成された蒸気は、蒸気タービン内で膨張して動力を発生する。
【特許文献１】
米国特許４，７３３，５２８号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼装置を備える天然ガス燃焼複合サイクルは、狭い燃料仕様許容範囲、例えば、発熱量、温度、燃料組成等の変動要因により燃料ガス飽和プロセスに厳しい条件を課す。燃料供給状態が、設計された燃料仕様から極端に逸れれば、性能は低下し、例えば、動圧が不安定になったりエミッションが多くなったりすることが起こる。最終的に、装置をトリップ（異常作動）させるほどに状態が悪くなる可能性がある。
【０００４】
燃料ガスを飽和させることが、過去２０年間にわたって集中ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）装置において使用されてきた。ＩＧＣＣは、プラントの有用性を増すために、バックアップ燃料、例えば、蒸留燃料を備えて一般的に設計される。蒸留燃料は、水素含有量が高いので、蒸留燃料燃焼方式は、拡散作動するように設計されていて、大半の最新型の天然ガス燃焼タービンに用いられるＤＬＮ燃焼方式よりも燃料供給ウォッベ数の変動に対する非常に大きい許容範囲を有する。ウォッベ数は、燃料燃焼安定性にとって重要であり、下記の式１に従って計算される。
【０００５】
【数１】
0004160290.tif 000002
【０００６】
ガスタービンに供給される燃料ガスのウォッベ数は、ガス化装置からの燃料組成がガス化装置への負荷及び原料によって変わるので、ＩＧＣＣプラントでは著しく変化しがちである。蒸留燃料の飽和のための熱源は、蒸留燃料冷却装置であり、この蒸留燃料冷却装置は燃料ガス飽和器運転範囲にわたって飽和器に対して本質的に固定圧（従って、高温水供給温度）で作動する。従って、燃料飽和器へ供給される水流量は、負荷範囲にわたって一定であるので、燃料供給ウォッベ数の制御は、ＤＬＮ予混合燃焼装置の場合と同様に、ガスタービン燃焼装置の運転性または設計に対するすべてに優先する制約とはならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスタービン燃焼装置の必要条件を満たすために、狭い範囲内の燃料の水分含有量レベルを維持するための制御方法を提供する。一般的に、このことは、燃料ガス飽和塔における乾燥燃料に対する水の比率を、乾燥燃料流量及び飽和塔へ供給される水すなわち再循環水及び補給水の測定結果に基づいて、燃料ガス加湿装置の全運転範囲にわたって実質的に一定に維持することによって達成される。また、例えばガスタービン燃料供給温度、ガスタービン燃料供給含水量、ガスタービン供給燃料組成、及びガスタービン燃料供給発熱量のうちの１つのような追加の情報を用いて、飽和器塔への水の供給を調節し、ガスタービンへの燃料ウォッベ数を実質的に一定に保つこともできる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態においては、飽和器塔への乾燥燃料ガス流量が測定され、また飽和器再循環水流量は、飽和器補給水流量と合計される。次いで、再循環水流量は、飽和器内で乾燥燃料対水の比率を実質的に一定に保つように調節される。従って、比率を実質的に一定に保つことによって、ウォッベ数の変動を減らし、ガスタービン装置に入る燃料の特性を制御する。本発明のこの好ましい実施形態において、この制御システムは多段圧力蒸気ボトミングサイクルにおいて用いることができ、その場合、燃料加湿のための熱源は、燃料水分及びウォッベ数を安定化させるために一定した蒸気圧で作動されるＬＰ（低圧）蒸発器の下流のガスタービン排気ガスである。
【０００９】
本発明の別の好ましい実施形態において、信号を生成するのに追加の測定値または計算値を用いて、閉ループフィードバックを構成することによって実質的に所望の乾燥燃料対水の比率を得て、目標とするウォッベ数を達成することができる。網羅的ではないがこのように用いられ得る追加の測定または計算される信号には、以下の、ガスタービン供給燃料温度、ガスタービン燃料供給含水量、ガスタービン燃料供給組成、及びガスタービン燃料供給発熱量がある。下流の燃料測定値に基づき閉ループフィードバックまたは開ループで燃料対水の比率を一方に偏らせることにより、燃料加湿装置の作動時にガスタービン燃料供給ウォッベ数の変動は最小限になる。本発明のこの実施形態は、変圧モードで運転される単一圧力蒸気ボトミングサイクル、変圧モードで運転されるＬＰ蒸気圧力を備える多段圧力蒸気ボトミングサイクル、または飽和水熱源が顕著な温度変化をする他のあらゆるサイクルのような、安定性のより低い熱源を備える用途に用いられるのが望ましい。
【００１０】
本発明による好ましい実施形態において、飽和器、飽和器への乾燥燃料ガス入力、飽和器内で乾燥燃料ガスを加湿するための飽和器への水入力、及びガスタービンへ加湿燃料ガスを供給するための出口を有するガスタービンの制御システムにおける、燃料ガス飽和を制御するための方法が提供され、該方法は、ガスタービンの予混合燃焼モード運転時に、飽和器への乾燥燃料ガス入力に対する飽和器への水入力の比率を実質的に一定に維持する段階を含む。
【００１１】
本発明による別の好ましい実施形態において、ガスタービンに加湿燃料ガスを供給するための装置が提供され、該装置は、飽和器、飽和器に乾燥燃料ガスを供給するための第１導管、飽和器からガスタービンに加湿燃料ガスを供給するための第２導管、飽和器に水を供給するための第３導管、及び飽和器への乾燥燃料ガス入力に対する水入力の比率を実質的に一定に維持するために、第３導管を通して飽和器が受け入れる水の流量を制御するための水流量コントローラを含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
燃料ガス加湿のための改良型ボトミングサイクルを含む天然ガス燃焼複合サイクル発電プラントの概略図を、図１に示す。この概略図は、実施例として用いられるのであって、本発明を、この型式の発電プラントでの使用のみに限定することを意図するものではない。また、図１に示す型式の発電プラントは、本発明の出願人と同一出願人の１９９９年７月１日に出願した米国特許出願番号第０９／３４０，５１０号に、より詳細に記載されている。
【００１３】
全体を１００で示す天然ガス発電プラントは、燃料ガス飽和器１０１、ガスタービン１０２、蒸気タービン１０３、凝縮器１０４、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０５、飽和器加熱器１０６、燃料過熱器１０７、及び飽和器ボトムポンプ１０８を含む。化学プロセス入力は、乾燥燃料ガス流れ１０９、補給水流れ１１０、外気流れ１１１、及び冷却水流れ１１２を含む。化学プロセス出力は、矢印１１３で示す排気ガス流れ及び冷却水流れ１１４である。ガス及び蒸気タービンに連結された発電機（図示せず）からの電気エネルギーが、もちろん、主たるエネルギー出力である。
【００１４】
流れ１０９を介して供給される乾燥燃料ガスは、パックまたは段重ねされた塔である燃料ガス飽和器１０１を泡だって通り抜けて、水で燃料ガスを加湿する。飽和された燃料ガスは、塔１０１の上端から出て、燃料過熱器１０７内でボトミングサイクル熱源を用いて過熱される。燃料過熱器１０７から、過熱された燃料は、燃焼のためにガスタービン１０２に入る。ガスタービン排気を含む高温のガスは、ＨＲＳＧ１０５へ流れる。ＨＲＳＧ１０５は、ガスタービン１０２の排気ガスから熱を回収するための多重ユニットを有する集中熱交換器を含む。排気ガスは、ＨＲＳＧ１０５から出て排気管１１３に向かう。ガスタービン１０２の排気から回収された熱を用いて蒸気を生成し、その蒸気が蒸気タービン１０３に用いられる。ガスタービン１０２及び蒸気タービン１０３は、発電機（図示せず）を駆動して電気を発電する。蒸気タービン装置からの放出物は、冷却水１１２を用いて凝縮器１０４で凝縮され、ＨＲＳＧ１０５に戻される。
【００１５】
飽和器ボトムポンプ１０８によって燃料ガス飽和器１０１の底部から出る水は、ＨＲＳＧ１０５に入り、飽和器加熱器１０６内でガスタービン排気から熱を回収する。加熱された水は、乾燥燃料ガスを加湿するために燃料ガス飽和器１０１に戻される。補給水１１０もまた燃料ガス飽和器用の水に追加されて、加湿燃料ガスと共に出ていく加湿燃料ガスの水成分及び飽和器容器からの何らかの吹き出し（図示せず）と置き換わる。
【００１６】
本発明の燃料加湿装置のための、全体を２００で示す制御システムの好ましい実施形態を、図２に示す。一般的に、燃料ガス飽和器２０１は、導管２０４を介して飽和器２０１へ入る乾燥燃料ガス入力を加湿し、また燃料ガス過熱器２０２は、ガスタービン装置（図示せず）に入る前に加湿燃料ガスを過熱する。再循環水流量コントローラ２０３は、燃料ガス飽和器２０１へ向かう導管２１１内の加熱された飽和水の流量を制御する。飽和器２０１への主たるプロセス入力は、導管２０４を介する乾燥燃料ガス、導管２０５を介する補給水、及び導管２１１を介する加熱された飽和水である。主たるプロセス出力は、導管２０６を介してガスタービンに供給される加湿され過熱された燃料ガスである。
【００１７】
乾燥燃料ガスは、導管２０７を通って燃料ガス飽和器２０１の底部に入る。燃料ガス飽和器２０１内で、乾燥燃料ガスは、導管２１１及び２０５からの飽和器への水入力に接触する。気化されない過剰の水は、導管２１１を介して燃料ガス飽和器２０１の底部から出る。過剰の水は、ポンプ２０９により圧送され、飽和器加熱器２１０及び流量制御弁２１２を通って流れる。図１におけると同様に、飽和器加熱器２１０は、ＨＲＳＧ内でガスタービン排気ガスにより加熱される。導管２１１内の再循環水及び導管２０５内の補給水は、燃料飽和器塔２０１の上端に供給される。飽和された燃料ガスは、導管２１３で燃料ガス飽和器を出て、過熱器２０２により過熱され、導管２０６を介して過熱器２０２を出てガスタービンへ向かう。導管２１４内の高温水は、加湿燃料ガスと熱交換関係にある過熱器２０２に入る。
【００１８】
再循環水流量コントローラ２０３は、導管２０７内の乾燥燃料ガス流量に対して（導管２１１及び２０５を介する）飽和器２０１への水の流量の比率が実質的に一定に維持されるように、再循環導管２１１内の水の流量を制御することによりガスタービンに供給されるガスの燃料特性の変動を最小限にする。流量センサ２１５は、補給導管２０５内の水の流量を測定する。流量センサ２１６は、導管２１１内の加熱された飽和水の流量を測定する。導管２０５内の補給水の流量は、導管２１１内の再循環水の流量に加えられて、飽和器２０１への水の流量を決定する。流量センサ２１７は、導管２０７を介して燃料ガス飽和器２０１に供給される乾燥燃料ガスの流量を測定する。センサ２１５、２１６、及び２１７からの信号は、制御弁２１２により導管２１１内の再循環水の流量を処理し制御するための再循環水流量コントローラ２０３へ送られる。
【００１９】
図３に示し、全体を３００で示す本発明の別の好ましい実施形態において、図２の部品と同じ部分品には、１００だけ増やして同じ参照符号を付している。本実施形態において、センサ３１８が制御システムに追加される。センサ３１８は、導管３０６内の加湿され過熱された燃料ガスの特性を測定する。例えば、センサ３１８は、導管３０６内の燃料ガスの以下の特性の１つ又はそれ以上を測定することができる。すなわち、燃料ガス温度、燃料ガス含水量、燃料ガス組成、及び燃料ガス発熱量である。再循環水流量コントローラ３０３は、流量センサ３１５，３１６及び３１７により生成される流量信号と共に、センサ３１８からの追加の信号を処理し、制御弁３１２により導管３１１内の加熱器の水の流量を調節する。図２の好ましい実施形態と同様に、図３の制御システムは、導管３０６内の燃料ガス特性、特にウォッベ数により表わされるそれらの特性の変動を、センサ３１８からのフィードバックに基づく乾燥燃料比率に対する導管３１１の飽和水流量及び導管３０５内の飽和器補給流量の合計の比率を一方に偏らせることにより、最小限にする。
【００２０】
図４は、飽和塔への一定の水流量についての従来技術プロセスにおける燃料ウォッベ数の変動を示すグラフである。３回のテストが、０°Ｆ（−１７°Ｃ）、４７°Ｆ（８°Ｃ）及び８７°Ｆ（３０°Ｃ）の様々な大気温度で実施された。ガスタービン燃料供給のウォッベ数が、最大出力の５０％と１００％の間の負荷について記録された。縦座標は、定格の比率として表わされたウォッベ数を示す。グラフを見れば分かるように、ウォッベ数は、６％の最大定格率及びマイナス１％の最小定格率を持つ。従って、この期待された運転範囲にわたって、燃料供給は大幅に変化する。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態を用いる場合におけるウォッベ数の変動のグラフを、図５に示す。３回のテストは、様々な運転状態で実施された。実験は、０°Ｆ（−１７°Ｃ）、４７°Ｆ（８°Ｃ）及び８７°Ｆ（３０°Ｃ）の大気温度で行なわれた。図３に示す従来技術プロセスのグラフに類似して、ガスタービン供給燃料のウォッベ数は、横座標に示す最大出力の５０％と１００％の間の負荷について記録された。垂直軸は、定格の比率として表わされたウォッベ数を示す。定格率の範囲は、およそ１．５％からマイナス１％にまでにわたる。従って、合計の変動は、およそ２％である。図４と図５を比較すれば、比較的に一定のウォッベ数、従ってガスタービン装置に入る加湿され過熱された燃料の燃料特性を維持する点における本発明の有用性が実証される。
【００２２】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃料ガス飽和器を含む単純化された天然ガス燃焼複合サイクル発電プラントの概略図。
【図２】  本発明の好ましい実施形態による乾燥燃料ガス対水の比率を実質的に一定に維持するための制御システムの概略図。
【図３】  本発明の別の好ましい実施形態による本発明の制御システムを示す図２に類似の概略図。
【図４】  従来技術のシステムを用いる場合の、ウォッベ指標とガスタービン複合サイクル発電プラント負荷との間の関係を示すグラフ。
【図５】  本発明の好ましい実施形態を用いる場合の、ウォッベ指標とガスタービン複合サイクル発電プラント負荷との間の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
２００  制御システム
２０１  飽和器
２０２  燃料ガス過熱器
２０３  再循環水流量コントローラ
２０５  補給水導管
２０６  加湿され過熱された燃料ガスの導管
２０７  乾燥燃料ガスの導管
２０９  ポンプ
２１０  飽和器加熱器
２１１  再循環水の導管
２１２  流量制御弁
２１３  加湿燃料ガスの導管
２１５、２１６、２１７  流量センサ
【図１】
0004160290.tif 000003
【図２】
0004160290.tif 000004
【図３】
0004160290.tif 000005
【図４】
0004160290.tif 000006
【図５】
0004160290.tif 000007