(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたガスタービンシステムの運転方法において、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を増加させ、タービンからの排ガス温度を上昇させることによって、改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給する工程とを備え、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時であって、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【請求項２】
燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたガスタービンシステムの運転方法において、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を増加させ、タービンからの排ガス温度を上昇させることによって、改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給する工程とを備え、
ガスタービン運転開始時あるいは改質器が改質可能温度に達するまでの部分負荷運転時であって、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【請求項３】
改質器の改質可能温度は４００℃以上であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のガスタービンシステムの運転方法。
【請求項４】
改質器の耐酸化温度はほぼ２００℃以下であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のガスタービンシステムの運転方法。
【請求項５】
燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたガスタービンシステムの運転方法において、
タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を減少させ、タービンからの排ガス温度を低下させることによって、改質器が改質可能温度より低い温度まで下がった後に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程とを備え、
負荷低下時あるいは運転停止時であって、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【請求項６】
燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたガスタービンシステムの運転方法において、
タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、
原燃料の流量を減少させ、タービンからの排ガス温度を低下させることによって、改質器が改質可能温度より低い温度まで下がった後に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程とを備え、
負荷低下時あるいは運転停止時であって、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【請求項７】
改質器の改質可能温度が４００℃以上であることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のガスタービンシステムの運転方法。
【請求項８】
上記改質器の耐酸化温度がほぼ２００℃以下であることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のガスタービンシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動力を発生させるガスタービンシステムおよびその運転方法に係わり、とりわけ排ガスを用いて燃料を化学的に改質するガスタービンシステムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンシステムは一般に動力の供給に用いられ、多くは発電機に動力を供給して電力に変換することによる発電システムとして用いられる。ガスタービンシステムの基本的な動作原理は、メタン等の燃料を圧縮機によって加圧された例えば空気等の燃焼用の酸素を含む流体によって燃焼させ、このとき得られる燃焼ガスを静翼を介して動翼に吹き付け、これによって動翼を配したロータを回転させて動力を得るものである。このようなガスタービンシステムにおいては、燃焼ガスの温度を高くすることにより効率を高めることができる。
【０００３】
一般に静翼および動翼は金属材料で構成され、これらの翼を何らかの手段で冷却することなしに、燃焼ガス温度を金属材料の耐熱温度以上に高めることはできない。このため、翼の内部に冷却媒体を通流させ、冷却媒体によって翼部材を冷却する方法や、翼内部から翼表面に冷却媒体を吹き出させ、翼表面に燃焼ガスと比べて低温の冷却媒体の膜を形成し、翼部材への燃焼ガスからの熱の伝わりを軽減する方法がとられる。しかし、このような冷却手段を用いても燃焼ガス温度の上昇には限度があり、さらに上記の翼表面に冷却媒体を吹き出させ翼部材への熱の伝わりを軽減する方法では、燃焼ガス温度の上昇に伴って冷却媒体の流量も増加し、高温の燃焼ガスに低温の冷却媒体が混入することによる温度低下の影響により効果的に効率の増加に結びつけることが困難である。
【０００４】
このため、動翼を通過し動力を取出した後の燃焼ガスで最終的にガスタービンシステムから排出される排ガスに残されている熱エネルギを回収することによって、効率を高める試みがなされている。その代表的なものは、排ガスを排熱回収ボイラに導き高温高圧の蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンで動力を発生させることにより排ガスに含まれていた熱エネルギを回収し、システム全体としての効率の向上を図るコンバインドサイクルによるものである。
【０００５】
近年、排ガスからの排熱回収により効率向上を図る別の手段として、排ガスに含まれる熱エネルギによってガスタービンに供給される燃料を化学的に改質し、燃料の化学エネルギを向上することによって排熱を回収しガスタービンシステムの効率を向上させる提案がなされている。
【０００６】
現在、ガスタービンの燃料として広く用いられているものの一つとして天然ガスがあり、天然ガスの主な成分はメタンである。メタンの代表的な改質の方法として、メタンに水蒸気を添加し、例えばニッケルのような触媒の存在下で高温を保つことにより、水素と一酸化炭素に転換させるものが知られている。このようにメタンを主な燃料としガスタービン排ガスによって燃料を改質するガスタービンシステムとして、例えば、特開平２―２８６８３５（特許２５８１８２５）あるいは特開平７−２６９３７１に示されるようなものが提案されている。
【０００７】
これらの提案においては、例えば特開平７−２６９３７１に記載されているように、７〜１３．８ａｔａ（０．７〜１．３８ＭＰａ）の圧力において、一般にメタンの改質に必要と考えられている６５０℃以上、望ましくは８００℃程度の温度と、約５５０℃程度であるガスタービン排ガスの温度との差をうめるための手段が述べられている。具体的には、特開平２−２８６８３５においては、改質手段の前に補助燃焼器を設け、この補助燃焼器により燃料を燃焼させることにより改質時の温度を上昇させる手段が示されている。また、特開平７−２６９３７１においては、タービン翼を翼内部に水蒸気を通流させて冷却し、冷却によって高温になった水蒸気を改質手段に供給して改質温度を排ガスの温度より高める手段が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの提案においては、このようなガスタービンシステムの起動、負荷変化、停止等の運転方法については詳細に考えられていない。
【０００９】
一般に補助燃焼により改質手段を高温化する場合、ガスタービンの燃焼器以外に燃料を供給するため、ガスタービンシステムの効率を向上させるのは難しいことが知られている。このため、高い効率を得るためには、補助燃焼を用いることなく改質を行うことが必要となるが、ガスタービン起動時に補助燃焼無しに改質手段を高温化する手段が必要とされていた。
【００１０】
また、前述のようにメタンの改質にはニッケル等の触媒が必要であり、改質手段にはこのような触媒が充填あるいは塗布され、メタンおよび水蒸気との接触が高温化で行われて改質反応が進められる。ニッケル等の触媒は、高温の酸化雰囲気中では酸化ニッケル等となり、触媒としての性能が著しく低下し、効果的な改質を行うことが難しくなることが知られている。ガスタービンシステムの運転においては、触媒が高温の酸化雰囲気にさらされることは条件によっては十分に考えられるため、触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐ手段が必要とされている。
【００１１】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、ガスタービンシステムの起動、負荷変化、停止等の運転状態においても、ガスタービンの排ガスからのエネルギ回収率が高く、信頼性の高いガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼用の酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、酸素を含む流体によって燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスを動力に変換するタービンと、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料を化学的に改質する改質器と、改質器内の改質燃料を燃焼器に供給する改質燃料供給手段と、燃焼器に原燃料を供給する原燃料供給手段とを備えたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【００１３】
本発明は、タービンの排ガスの少なくとも一部を熱源として水を蒸発させ蒸気を供給する蒸発器を更に備え、蒸発器からの蒸気を上記改質器および上記燃焼器の少なくともいずれか一方に供給することを特徴とするガスタービンシステムである。
【００１４】
これにより、ガスタービンシステムにおける排熱回収を改質器のみでなく、蒸発においても行い、回収した熱エネルギをガスタービンの燃焼器に供給することにより、さらに、ガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【００１５】
本発明は、改質器に送られる原燃料に含まれる硫黄化合物を吸着脱硫する脱硫器を更に備えたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【００１６】
これにより、原燃料中の硫黄化合物による改質触媒への被毒を防げ、被毒による改質性能の低下を防ぐことができる。
【００１７】
本発明は、改質器と燃焼器との間に、改質燃料を加圧する手段を設けたことを特徴とするガスタービンシステムである。
【００１８】
これにより、原燃料の改質を低い圧力で行うことができ、改質率を高め、さらに、ガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【００１９】
本発明は、ガスタービンシステムの運転方法において、タービンの運転開始時あるいは部分負荷運転時には、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給する工程と、原燃料の流量を増加して加温することにより改質器が改質可能温度に達した後に、改質器で改質を行い改質された改質燃料を改質燃料供給手段により燃焼器に供給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運転方法である。
【００２０】
これらにより、ガスタービン運転開始時あるいは部分負荷運転からの負荷増加時に燃焼器に原燃料を供給することが可能となり、補助燃焼手段を有しないガスタービンシステムにおいても、改質器の温度を改質が可能な高温にすることができる。さらに、改質器が高温になり改質が可能となった時点で、改質燃料を燃焼器に供給することにより、改質器による排熱回収が行ってガスタービンシステムの効率、出力を向上することができる。
【００２１】
本発明は、運転開始時あるいは部分負荷運転時には、改質器の酸化温度に達する前から改質を行うまでの間、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【００２２】
本発明は、上記運転開始時あるいは部分負荷運転時には、改質器の酸化温度に達する前から上記改質を行うまでの間、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【００２３】
これらにより、ガスタービンシステムの運転開始時あるいは部分負荷運転からの負荷増加時に改質器内の触媒が酸化雰囲気で高温にさらされることがなく、改質触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐことができる。
【００２４】
本発明は、ガスタービンシステムの運転方法において、タービンの負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質燃料を燃焼器に供給する工程と、改質燃料の流量を減少して減温することにより改質器が改質可能温度に達する前に、原燃料供給手段により原燃料を燃焼器に供給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運転方法である。
【００２５】
これにより、改質器の温度が低下し、改質による排熱回収が行えなくなるまでは、排熱回収によりガスタービンシステムの効率、出力を向上することができ、改質器が改質可能温度を下回るような低い負荷においてもガスタービンの運転を継続することができる。
【００２６】
本発明は、負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまでは、改質器に原燃料あるいは水蒸気のうち少なくともいずれか一方を通流あいるは封止することを特徴とする記載のガスタービンシステムの運転方法である。
【００２７】
本発明は、上記負荷低下時あるいは運転停止時には、改質器で改質を停止してから改質器の酸化温度以下の温度に至るまで、改質器に不活性ガスあるいは二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを通流あるいは封止することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法である。
【００２８】
これらにより、ガスタービンシステムの停止時に改質器内の触媒が酸化雰囲気で高温にさらされることがなく、改質触媒の酸化を防ぎ、改質性能の低下を防ぐことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図である。
【００３１】
図１に示すように、ガスタービンシステムは空気６を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された空気７によって原燃料供給手段２４により供給される原燃料あるいは改質燃料供給手段２６によって供給される改質燃料を燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２で生じた高温、高圧の燃焼ガス８によって動力を発生するタービン３とを備えている。
【００３２】
タービン３で発生した動力は圧縮機１を駆動するために用いられるとともに発電機４を駆動して電力を発生し、動力発生に使われた燃焼ガスは温度、圧力を減じた排ガス９としてタービン３から排出される。
【００３３】
ここで、原燃料としては、ガスタービン燃料として広く用いられる天然ガスあるいは都市ガスを想定しているが、いずれもその主成分はメタンである。燃焼器２で燃焼される改質燃料は、原燃料供給手段２７により供給される原燃料と、蒸発器１２で発生した水蒸気１６との混合物である改質前燃料２３を改質器１０において改質することにより得られ、水素を多く含む改質燃料となっている。
【００３４】
この場合、改質器１０において、改質前燃料２３は改質触媒を充填あるいは塗布した改質器１０ａに導かれ、タービン３からの排ガス９との熱交換により改質が行われる。改質器１０を通った排ガス１１の熱はさらに蒸発器１２で水１４を蒸発させ水蒸気１６を発生するのに用いられた後、排ガス１３として排出される。発生した水蒸気１６はユーティリティ蒸気供給手段１８を介してユーティリティ蒸気として用いられるとともに、その一部は改質用蒸気供給手段４６により改質器１０に供給され、燃料改質用の水蒸気として用いられる。
【００３５】
原燃料供給手段２４，２７を介して燃焼器２および改質器１０へ送られる原燃料１９は、燃焼器２および改質器１０への供給圧力まで高めるために、モータ２９で駆動される圧縮機２０により加圧される。また蒸発器１２で生成される水蒸気１６の圧力を改質器１０への供給圧力まで高めるために、水１４がポンプ１５により加圧される。
【００３６】
また原燃料供給手段２４、原燃料供給手段２７、改質用蒸気供給手段４６、およびユーティリティ蒸気供給手段１８には、それぞれ、バルブ２５、バルブ２２、バルブ１７、バルブ２８が設けられ、各供給手段２４、２７、４６、１８を流れるガスあるいは水蒸気の流量、圧力が調整される。
【００３７】
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。ガスタービンシステムの起動時には、改質器の改質部１０ａは、ほぼ２００℃以下の改質器酸化温度以下に保たれ、その内部には空気すなわち酸素が存在している。原燃料の圧縮機２０により、原燃料供給手段２１における圧力は燃焼器２および改質器１０への供給圧力に保たれるが、バルブ２５およびバルブ２２はいずれも遮断され、燃焼器２および改質器１０への原燃料の供給は行われない。また改質器１０へ水蒸気供給を供給する改質用蒸気供給手段４６のバルブ１７も遮断される。起動時には起動モータ５によってガスタービンの圧縮機１が駆動され、圧縮機１の回転数が徐々に上げられることによって、燃焼器２の圧力が徐々に高められ、燃焼器２およびタービン３が空気によりパージされる。
【００３８】
圧縮機１の回転数が定格回転数のほぼ２０％程度となると、バルブ２５を開いて燃焼器２に原燃料が供給され、燃焼器２内で着火されて燃焼器２内で原燃料が燃焼する。次に燃焼器２への原燃料流量が徐々に増加され、これによってタービン３での出力の発生も徐々に増加する。圧縮機１の回転数が定格回転数に至るまでの適当なタイミングにおいて、起動モータ５からの出力が切り離され、圧縮機１はタービン３の出力のみで駆動される。
【００３９】
バルブ２５の操作により燃焼器２への原燃料の供給はさらに徐々に増加され、圧縮機１の回転数が定格回転数に至ると、タービン３はバルブ２５の操作により燃料流量が調節され、無負荷定格回転状態になる。タービン３から発電機４で負荷を取り出し、負荷を徐々に増加するとともに、タービン３の回転数を定格回転数に保つためにバルブ２５の操作により原燃料の供給量を徐々に増加する。このことにより、最終的に定格負荷運転状態に至る。定格負荷運転状態では、排ガス９の温度は通常５５０℃から６００℃程度となる。
【００４０】
このような起動時において、排ガス９の温度は徐々に上昇し、このため改質器１０の改質部１０ａの温度もほぼ２００℃以下の改質器酸化温度以下の温度から徐々に上昇する。改質部１０ａにはニッケル系の触媒が充填あるいは塗布されている。このようなニッケル系の触媒は酸素の存在下である温度以上におかれた場合、酸化して酸化ニッケルとなり、触媒活性を失うことが知られている。発明者らの経験ではこのようなニッケルの酸化反応が著しくなるのは、ほぼ２００℃程度であるため、改質器１０の耐酸化温度はほぼ２００℃以下となる。起動時に改質部１０ａ内に空気すなわち酸素が存在していることから、このままの状態で改質部１０ａの温度がほぼ２００℃以下の改質器酸化温度を越えると触媒は酸化され、改質性能を著しく損なう。
【００４１】
本実施の形態においては、このような起動時の触媒の酸化を防ぐために、起動過程において改質部１０ａの温度がほぼ２００℃以下の改質器酸化温度を越える前に、バルブ１７を閉じたままバルブ２２を開き、改質部１０ａの内部に原燃料すなわちメタンを導びく。このことにより内部に存在した空気を改質燃料供給手段２６を通じて燃焼器２内に排気する。さらに適当な時間、改質部１０ａ内に原燃料を通流させて残存空気すなわち残存酸素をほぼ完全に排気した後、バルブ２２を閉じ、改質部１０ａ内に原燃料を封止する。このとき改質部１０ａ内の圧力は常に燃焼器２内の圧力よりも高く、起動過程のどの状態においても燃焼器２から改質部１０ａへの逆流はなく、改質部１０ａ内には原燃料すなわちメタンが封止された状態でほぼ２００℃以下の改質器耐酸化温度を越え、さらに、定格負荷状態に至る。このため、改質部１０ａ内は酸化雰囲気ではなくメタンが封止された状態となって２００℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ４００℃以上の改質可能温度に至ることができるため、触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【００４２】
このような、改質部１０ａ内の原燃料による封止は、燃焼器２の着火のタイミングと合せて、あるいはそれよりやや遅らせたタイミングで行っても良く、これにより改質部１０ａはより広い温度範囲内において酸化から保護される。
【００４３】
なお、これと並行して蒸発器１２にポンプ１５により水が供給され、発生した蒸気１６はユーティリティ蒸気供給手段１８によりユーティリティ蒸気として供給される。
【００４４】
タービン３が原燃料の燃焼により定格負荷運転に至ると、バルブ１７を開いて原燃料の改質に必要な流量の水蒸気を改質器１０に導く。さらに改質燃料供給手段２６を介して水蒸気を燃焼器２に導き、それと同時に改質部１０ａ内の原燃料を水蒸気で置換する。
【００４５】
その後、バルブ２２を開いて所定流量の原燃料を改質器１０に供給し、改質器１０において排ガス９との熱交換により原燃料を改質し改質された改質燃料を燃焼器２へ供給する。この操作により、後述の水蒸気／メタン比は、常に定常的な改質における水蒸気／メタン比より高く保たれるため、改質部１０ａにおいて炭素析出を生じることはない。改質器１０における改質燃料の発生に合わせて、バルブ２５の操作により燃焼器２に供給される原燃料の流量を徐々に減少させ、最終的にはバルブ２５が遮断され燃焼器２への原燃料供給はなくなる。その後は、バルブ２２およびバルブ１７の操作により、原燃料および水蒸気の流量が調整され、タービン３の負荷に応じた運転がなされる。
【００４６】
なお、ここでは、原燃料の燃焼による運転から改質された燃料の燃焼による運転への切り替えを、定格負荷運転後として説明したが、このような運転切り替えは、改質器１０が改質可能温度になっていれば定格以下の負荷運転状態においても可能である。
【００４７】
ここで、改質器１０における原燃料の改質反応について触れる。原燃料の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は以下の化学式で表される。
【００４８】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ            （１）
ここで、このメタン改質反応が吸熱反応であり、この反応に使われた熱、すなわち上記の実施の形態においてはタービン３からの排ガス９のもつ排熱がこの反応によって減少し、改質後の燃料の化学エネルギが増加して、排ガスの持つ熱からの排熱回収がおこなわれる。回収された熱は、原燃料であるメタンよりも高い化学エネルギを持つ水素リッチな改質された燃料としてガスタービンシステムの燃焼器２で燃焼され、これによってガスタービンシステムの効率および出力が向上される。
【００４９】
このようなメタン水蒸気改質反応においては、改質触媒上での炭素析出を防止するために、（１）式で示されるよりもメタンに対して過剰な量の水蒸気を供給する。発明者らの計算による、水蒸気／メタン比および改質温度と炭素析出との関係を図２に示す。
【００５０】
図２に示すグラフは、圧力が１５ａｔｍの場合の改質反応の平衡条件から導いたもので、水蒸気／メタン比および改質温度の条件が同グラフの曲線よりも下の領域にある場合には炭素析出の可能性がある。図２に示すように、改質温度がほぼ４００℃より低い場合には、炭素析出を防ぐために必要な水蒸気量は急激に増加することが分かる。このため、改質器１０における改質可能温度は、ほぼ４００℃以上といえる。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、起動時の触媒の酸化を防ぐために、改質部１０ａ内に原燃料すなわちメタンを封止し、この状態で略２００℃以下の改質器酸化温度を越えて定格負荷状態に至るようにしたが、バルブ２２を閉じてたままでバルブ１７をあけ、改質部１０ａ内に水蒸気を通流させた後バルブ１７を閉じて水蒸気により改質部１０ａ内を封止しても良い。このとき、改質部１０ａ内は酸化雰囲気ではなく、水蒸気が封止された状態でほぼ２００℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ４００℃以上の改質可能温度に至る。このため、改質部１０ａ内で触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【００５２】
さらに、バルブ２２とバルブ１７を開け、改質部１０ａ内にメタンと水蒸気を通流させた後バルブ２２とバルブ１７を閉じ、このことにより、水蒸気／メタン比の高いメタンと水蒸気によって改質部１０ａ内を封止しても良い。このとき、改質部１０ａ内は、酸化雰囲気ではないメタンと水蒸気が封止された状態で、ほぼ２００℃以下の改質器酸化温度を越え、ほぼ４００℃以上の改質可能温度に至る。このため、触媒の酸化無しに改質を開始することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、起動時の触媒の酸化を防ぐために、改質部１０ａ内にメタンあるいは水蒸気を封止するものとしたが、タービン３の部分負荷運転を行ないながら燃焼器２内で原燃料を燃焼する状態から、負荷を増加して燃焼器２内で改質燃料を燃焼する状態に切り替える場合においても、全く同様の手順によって触媒の酸化を防ぐことができる。
【００５４】
また、本実施の形態において、改質燃料を燃焼する状態から負荷を低下する場合には、排ガス９の温度はほぼ５５０℃〜６００℃程度から徐々に低下する。このため改質器１０の温度も徐々に低下してくる。このとき、改質器１０の温度がほぼ４００℃以上の改質可能温度まで低下する前に、バルブ２５を開いて原燃料を燃焼器２に供給して燃焼させることにより、改質器１０の温度がほぼ４００℃以上の改質可能温度を下回った場合に改質器１０での改質を停止しても、タービンの運転を継続することが可能となる。
【００５５】
なお、この場合、改質器１０での改質の停止前にバルブ１７を閉じ、改質部１０ａ内に原燃料のみを供給し、その後、バルブ２２を閉じることによって改質部１０ａ内に原燃料を封止する。これによって、改質部１０ａ内は酸化雰囲気ではない原燃料が封止された状態となり、改質可能温度から改質器酸化温度以下の温度まで通過することができ、このため触媒の酸化が防止できる。また、改質器１０での改質の停止前にバルブ２２を閉じ、改質部１０ａ内に水蒸気のみを供給し、その後、バルブ１７を閉じることによって改質部１０ａ内に水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止される。
【００５６】
また、バルブ２２およびバルブ１７の操作によって改質部１０ａ内に十分高い水蒸気／メタン比の原燃料と水蒸気を供給し、その後、バルブ１７およびバルブ２２を閉じて改質部１０ａ内に十分高い水蒸気／メタン比の原燃料と水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止できる。
【００５７】
さらに、本実施の形態において、バルブ１７およびバルブ２２が開いた状態で改質燃料を燃焼器２で燃焼する状態から運転停止する場合には、バルブ１７を閉じ、改質部１０ａ内に原燃料のみを供給し、その後バルブ２２を閉じることによって改質部１０ａ内に原燃料を封止する。バルブ２２を閉じることによって燃焼器２への燃料供給が遮断され、タービン３の出力は低下し、圧縮機１の回転数も低下するため、燃焼器２の圧力も低下する。最終的に圧縮機１の回転が止まった状態では、燃焼器２内は大気圧の空気で満たされる。この燃焼器２の大気圧までの減圧の過程において、改質部１０ａ内に封止されていた原燃料は徐々に燃焼器２内に排出されるが、ガスタービンが停止した状態においても改質部１０ａおよび改質燃料供給手段２６内には大気圧の原燃料が残る。このため、改質部１０ａ内は酸化雰囲気ではなく原燃料が封止された状態となり、改質器酸化温度以下の温度までを通過することができるため、触媒の酸化が防止できる。また同様に、改質器１０での改質の停止直前にバルブ２２を閉じ、改質部１０ａ内に水蒸気のみを供給し、その後、バルブ１７を閉じ改質部１０ａ内に水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止される。また、バルブ２２およびバルブ１７の操作によって改質部１０ａ内に十分高い水蒸気／メタン比の原燃料と水蒸気を供給し、その後、バルブ１７およびバルブ２２を閉じ改質部１０ａ内に十分高い水蒸気／メタン比の原燃料と水蒸気を封止することによっても触媒の酸化が防止できる。
【００５８】
また、本実施の形態において、改質器１０に供給される水蒸気の量を調整することにより原燃料の改質率を調整することが可能である。例えば、水蒸気の供給量を０にすれば、原燃料は改質されることなく、改質器１０で排ガス９と単に熱交換をした後に、最終的に燃焼器２に供給される。この場合には、排ガス９からの排熱回収率が減収し、ガスタービンシステムの発生動力すなわち発電量が減少する替わりに、ユーティリティーへ供給される水蒸気の量は増加する。このように、本実施の形態においては、動力（電力）と水蒸気（熱）との発生割合を利用の形態に応じて調整する、いわゆる熱電可変なシステムが実現できる。
【００５９】
なお、本実施の形態においては、燃焼器２における燃焼に空気６を用いるものとして説明したが、空気以外の組成をもつ酸素を含む流体、例えば酸素と二酸化炭素からなる流体、あるいは酸素とアルゴンとからなる流体、あるいは酸素とヘリウムとからなる流体等、その他の多くの組成の流体を用いることによっても、本発明の効果は同様に得られる。
【００６０】
このように本実施の形態によれば、従来のような補助燃焼をおこなうことなくタービン起動時に改質器の温度を高め、原燃料の改質を行うことができる。さらに、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行なうことができる。また原燃料の改質による排熱回収によりガスタービンシステムの効率および出力が著しく向上し、また、熱電可変なガスタービンシステムが実現できる。
【００６１】
第２の実施の形態
図３に本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図３に示す第２の実施の形態は、改質部１０ａに窒素、アルゴン等の不活性ガス、または二酸化炭素のうち少なくともいずれか一つを供給手段３０により供給するとともに、供給手段３０にバルブ３１を設けたものであり、他は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００６２】
図３において、触媒の酸化を防ぐための改質部１０ａのガス封止を、供給手段３０からの窒素、不活性ガス、二酸化炭素の少なくとも一つにより行なう。燃焼器２からの逆流を防ぐため、バルブ３１が用いられる。一般に、窒素、アルゴン等の不活性ガス、二酸化炭素は酸化を防ぐ環境としてメタン、水蒸気よりも優れている。このため、本実施の形態においては、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態においてより確実に改質触媒の酸化を防ぐことができ、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【００６３】
第３の実施の形態
図４に本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図４に示す第３の実施の形態は、バルブ３２を、改質部１０ａと燃焼器２との間の改質燃料供給手段２６に設けたものである。他は、図３に示す第２の実施の形態と略同一である。
【００６４】
本実施の形態において、タービン３の起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１および第２の実施の形態の場合とほぼ同様であるが、触媒の酸化を防ぐため、改質部１０ａを酸化雰囲気でないガスによる封止するとき、バルブ３２を遮断する。このことにより例えば燃焼器２での燃焼振動や突発的な燃焼により燃焼器２内の圧力が高まった場合でも、改質部１０ａ内を燃焼器２の状態によらず酸化雰囲気から守ることができる。このため、タービン３の起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態において、より確実に改質部１０ａ内の触媒の酸化を防ぐことができ、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【００６５】
第４の実施の形態
図５に本発明の第４の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図５に示す第４の実施の形態は、ユーティリティ蒸気供給手段１８と燃焼器２との間に蒸気供給手段３４を設け、蒸気供給手段３４にバルブ３３を取付けるとともに、圧縮機２０の上流側に原燃料中に含まれる硫黄化合物を吸着する脱硫器３５を設けたものである。他は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００６６】
本実施の形態において、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１の実施の形態の場合とほぼ同様であるが、本実施の形態においては、蒸発器１２で生じた蒸気を蒸気供給手段３４により燃焼器２に供給することによりタービン３の出力および効率をさらに向上することができる。また脱硫器３５により原燃料に含まれる硫黄化合物を取り除くことによって、改質部１０ａ内の触媒の被毒を防ぎ、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態において、ガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【００６７】
第５の実施の形態
図６に本発明の第５の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図６に示す第５の実施の形態は、原燃料供給手段２７を圧縮機２０の上流側に接続し、蒸発器１２からの蒸気を用いたエゼクタ３６により原燃料を加圧するものであり、他は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００６８】
本実施の形態において、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１の実施の形態の場合とほぼ同様である。改質燃料を燃焼させる場合に、原燃料をエゼクタ３６で加圧して改質器１０に供給するために圧縮機２０の駆動動力を必要としない。このためガスタービンシステムとしての出力および効率は、より向上したものとなる。
【００６９】
第６の実施の形態
図７に本発明の第６の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図７に示す第６の実施の形態は、原燃料供給手段２６を圧縮機２０の上流側に接続するとともに、改質燃料供給手段２６にモータ４で駆動される圧縮機４０を設けたものであり、他は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７０】
本実施の形態において、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１の実施の形態の場合とほぼ同様である。改質器１０と燃焼器２との間に改質燃料を加圧する圧縮機４０を設けたので、改質器１０における原燃料の改質を燃焼器２内の圧力よりもはるかに低い圧力で行なうことができる。
【００７１】
一般に原燃料であるメタンの改質反応は改質時の圧力の影響を受ける。図８に、発明者らの計算によるメタンの改質率と圧力との関係を示す。ここで、改質率とは、原燃料として供給したメタンのうち水素および一酸化炭素に転化されたメタンの割合を示すもので、改質率が高いほど、原燃料メタンから水素および一酸化炭素への転化が多くなる。
【００７２】
図８に示すように、圧力が低いほど改質率は高く、原燃料メタンから水素および一酸化炭素への転化が進むことがわかる。改質率が高く、メタンから水素および一酸化炭素への転化が多くなることによって、排ガス９からの排熱回収量も増え、ガスタービンシステムの効率および出力は向上する。
【００７３】
このように本実施の形態においては、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行なうことができる。このため燃焼器内の圧力より低い圧力で原燃料の改質を行うことにより、排熱回収をさらに高め、ガスタービンシステムの効率および出力を向上することができる。
【００７４】
第７の実施の形態
図９に本発明の第７の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図９に示す第７の実施の形態は、ユーティリティ蒸気供給手段１８と燃焼器２との間に蒸気供給手段４３を設け、この蒸気供給手段４３にバルブ４２を設けるとともに、原燃料供給手段２７に原燃料中に含まれる硫黄化合物を吸着脱硫する脱硫器４４を設けたものである。他は図７に示す第６の実施の形態と略同一である。
【００７５】
本実施の形態において、タービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１の実施の形態の場合とほぼ同様で、また、燃焼器２の圧力よりも低い圧力で改質を行うことは第６の実施の形態と同様である。本実施の形態においては、蒸発器１２で生じた蒸気を燃焼器２に供給することによりタービン３の出力および効率をさらに向上することができる。また、脱硫器４４により原燃料に含まれる硫黄化合物を取り除くことによって、改質触媒の被毒を防ぎ、ガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の各運転状態においてガスタービンシステムの信頼性をより高めることができる。
【００７６】
第８の実施の形態
図１０に本発明の第８の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図を示す。図１０に示す第８の実施の形態は、原燃料供給手段２７を圧縮機１０の上流側に接続し、ユーティリティ蒸気供給手段１８にバルブ４２を有する蒸気供給手段４３を接続し、改質燃料供給手段２６にエゼクタ４５を設けるとともに、蒸気供給手段４３をエゼクタ４５に接続したものである。他は図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７７】
本実施の形態においてガスタービンの起動、負荷増加、負荷低下、運転停止の手順については、第１の実施の形態の場合とほぼ同様で、また、燃焼器２の圧力よりも低い圧力で改質を行うことは第６の実施の形態と同様である。改質された燃料を燃焼させる場合に、改質燃料を加圧して燃焼器２に供給するためにエゼクタ４５を用いるので、圧縮機駆動のための動力を必要としない。このためガスタービンシステムとしての出力および効率はより向上したものとなる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のような補助燃焼をおこなうことなくガスタービン起動時に改質器の温度を高め、原燃料の改質を行うことができる。さらに、起動時、負荷増加時、負荷低下時、運転停止時のいずれの状態においても改質触媒の酸化による改質性能の低下を生じることなく運転を行い、原燃料の改質による排熱回収によりガスタービンシステムの効率および出力を向上することができる。また、改質率を調整することにより電力と熱との出力の割合を調整できる熱電可能なガスタービンシステムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図２】メタン改質における炭素析出特性を示す線図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図８】メタン改質率の圧力依存特性を示す線図。
【図９】本発明の第７の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態に係わるガスタービンシステムの系統図。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  発電機
１０  改質器
１０ａ  改質部
１２  蒸発器
１５  ポンプ
１７  バルブ
１８  ユーティリティ蒸気供給手段
２０  圧縮機
２１  原燃料供給手段
２２  バルブ
２４  原燃料供給手段
２５  バルブ
２６  改質燃料供給手段
２７  原燃料供給手段
２８  バルブ
３１  バルブ
３２  バルブ
３３  バルブ
３４  水蒸気供給手段
３５  脱硫器
３６  エゼクタ
４０  圧縮機
４１  モータ
４２  バルブ
４３  水蒸気供給手段
４４  脱硫器
４５  エゼクタ
４６  改質用蒸気供給手段
【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】
0003789070.tif 000008
【図８】
0003789070.tif 000009
【図９】
0003789070.tif 000010
【図１０】
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