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Title:
LEAN FUEL SUCKING GAS TURBINE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/151073
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is a lean fuel sucking gas turbine system comprising a compressor (1) for compressing a mixed gas (G1) having a fuel and air mixed to a concentration of an inflammable limit or lower, thereby producing a compressed gas (G2), a first catalyst combustor (2) for burning the compressed gas (G2) by a catalyst reaction, a turbine (3) adapted to be driven by a combustion gas (G3) from a second catalyst combustor (9), and a reproducer (6) for heating the compressed gas (G2) to be introduced into the first catalyst combustor (2) with an exhaust gas (G4) from the turbine (3).  Between the turbine (3) and the reproducer (6), there is arranged a duct burner (7) for flame-burning a first auxiliary fuel (F1) in the exhaust gas (G4).  Thus, it is possible to attain efficient operation of the system while simplifying the entire constitution and to prevent the blow-by of the mixed gas.

Inventors:
KAJITA SHINICHI (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/060595
Publication Date:
December 17, 2009
Filing Date:
June 10, 2009
Export Citation:
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Assignee:
KAWASAKI HEAVY IND LTD (JP)
KAJITA SHINICHI (JP)
International Classes:
F02C3/22; F02C7/08; F02C9/00; F02C9/28; F23R3/40
Foreign References:
US6313544B12001-11-06
US6960840B22005-11-01
JPS63186923A1988-08-02
Attorney, Agent or Firm:
YOSHITAKE Kenji et al. (JP)
Kenji Yoshitake (JP)
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Claims:
 燃料と空気を混合した可燃濃度限界以下の混合ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧縮機と、
 前記圧縮ガスを触媒反応により燃焼させる第1触媒燃焼器と、
 前記第1触媒燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
 前記タービンからの排ガスによって前記圧縮機から前記第1触媒燃焼器に導入される前記圧縮ガスを加熱する再生器と、
 前記タービンと前記再生器との間に配置されて前記排ガスを第1補助燃料により火炎燃焼させるダクトバーナと、
 を備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1において、前記ダクトバーナと前記再生器との間に、第2触媒燃焼器を備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項2において、前記ダクトバーナと第2触媒燃焼器との間に、前記排ガス中に第2補助燃料を導入する第2補助燃料導入部を備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1から3のいずれか一項において、前記第1触媒燃焼器の入口温度を検出する温度センサと、前記入口温度が所定範囲となるように少なくとも前記第1補助燃料の供給量を制御する燃料制御手段とを備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1から4のいずれか一項において、前記圧縮機の吸入側に、前記混合ガスに第3補助燃料を混入させて前記混合ガスの燃料濃度を高める第3補助燃料導入部を備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1から5のいずれか一項において、前記圧縮機の吸入側に、前記混合ガスに空気を混入させて前記混合ガスの燃料濃度を低下させる空気導入部を備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1から6のいずれか一項において、前記再生器における前記排ガスの通路の壁面に、前記排ガスを酸化させる触媒を担持させた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
 請求項1から7のいずれか一項において、さらに、燃料と空気の前記混合ガスを前記再生器から排出される排ガスに混入するガス混入通路と、前記混合ガスが混入された排ガス中の燃料成分を触媒反応により酸化させる触媒反応器と、前記触媒反応器からの酸化済排ガスによって前記ガス混入通路内の混合ガスを加熱する熱交換器とを備えた希薄燃料吸入ガスタービンシステム。
Description:
希薄燃料吸入ガスタービンシス ム

 本発明は、埋立地などで発生するランド ィルガスや、炭鉱で発生するCMM(Coal Mine Met hane)などの低カロリーガスを空気と混合する どして、圧縮機での圧縮によって着火しな ように可燃限界濃度以下の混合気として、 ンジンに吸入し、含まれている可燃成分を 料として利用する、希薄燃料吸入ガスター ンシステムに関するものである。

 従来より、メタン濃度が可燃限界よりも低 ガスをエンジンに吸入し、含まれているメ ン成分を燃料として利用するガスタービン 知られている。このガスタービンは、低濃 のメタンガスを含む空気に、必要に応じて 濃度のメタンガスを混合して可燃限界以下 範囲で濃度調整し、この混合ガスを圧縮機 圧縮して圧縮ガスを生成し、これを触媒燃 器で触媒反応により燃焼させ、その燃焼ガ によりタービンを駆動させる。タービンか 排出される排ガスは再生器に送って、これ より前記圧縮機から触媒燃焼器に導入され 圧縮ガスを加温する (特許文献1:国際公開WO 2004/029433 A1)。このガスタービンでは、ラン フィルガスやCMMなどの低カロリーガス、特 炭坑における通風の排気であるVAM(Ventilation  Air Methane)を燃料として利用できる。このVAM 、メタン濃度が1%以下で通常の方法では燃焼 しないため、大気中に放散されているのが現 状であるが、このVAMを燃料とするガスタービ ンで発電することによりCO 2 排出権を獲得することもできる。

 このガスタービンは、圧縮機からの圧縮 スを触媒燃焼器における触媒反応により燃 させるため、これに供給する圧縮ガスを300 以上、触媒組成によっては500℃程度に加温 る必要がある。特に始動時や低負荷運転時 は、再生器での加温が不十分なため、予燃 器などの補助的な加温システムを用いて加 する必要がある。例えば、特許文献1の場合 、圧縮機と触媒燃焼器との間に予燃焼器を設 置し、この予燃焼器にプロパンガス等を昇圧 して供給し、燃焼させることにより触媒燃焼 器に至る圧縮ガスを加温している。しかし、 このように、補助的な加温システムを用いる 場合、装置全体が大型化する。特に、特許文 献1では、予燃焼器への燃料を圧縮機出口の 力まで昇圧する燃料圧縮機が必要になり、 味の発生動力が少なくなるため、エネルギ 効率が低い。

 また、タービンのような高温部品の冷却 軸受け部の軸封に圧縮機から抽気した混合 スの一部を利用する場合、混合ガス中のメ ンガスが未反応のまま外部へ排出されてし う、いわゆるすり抜けが発生する。触媒燃 器内の触媒性能が低下したときにもすり抜 が発生する。

 本発明は、全体を簡略化しながら効率的 運転が行え、さらに燃料ガスのすり抜けを 止できる希薄燃料吸入ガスタービンシステ を提供することを目的とする。

 上記目的を達成するために、本発明の希 燃料吸入ガスタービンシステムは、燃料(可 燃成分)と空気を混合した可燃濃度限界以下 混合ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する圧 機と、圧縮ガスを触媒反応により燃焼させ 第1触媒燃焼器と、第1触媒燃焼器からの燃焼 ガスにより駆動されるタービンと、タービン からの排ガスによって前記圧縮機から第1触 燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する再 器と、タービンと再生器との間に配置され 前記排ガス中で第1補助燃料を火炎燃焼させ ダクトバーナとを備えている。

 このガスタービンシステムによれば、可 限界濃度以下の前記混合ガスが圧縮機で圧 され、その圧縮ガスが第1触媒燃焼器で触媒 反応により燃焼され、ここで発生する高圧の 燃焼ガスによりタービンが回転されて前記圧 縮機と発電機のような負荷とが駆動される。 そして、始動時や部分負荷運転時など第1触 燃焼器の入口温度が触媒反応の開始温度に しない場合、前記タービンの排気側に設置 れたダクトバーナに第1補助燃料供給部から 1補助燃料が供給されて、この補助燃料の火 炎燃焼により前記タービンからの排ガスが昇 温される。ここで、排ガスの圧力は大気圧程 度であるから、第1補助燃料の昇圧に要する 力は極めて少ない。前記第1補助燃料の火炎 焼により昇温した排ガスが再生器に送られ ここで前記圧縮機から第1触媒燃焼器に向か う圧縮ガスと熱交換され、昇温した圧縮ガス により前記第1触媒燃焼器の入口温度が上昇 て触媒燃焼を可能にする。こうして、ラン フィルガスやCMM,VAMのような燃料濃度(メタン ガス濃度)の低い混合ガスによりガスタービ を駆動できる。しかも、触媒反応を利用し いるから、NOxを発生させない。また、従来 ように予燃焼器等の加温システムを用いる となく、全体を簡略化しながら効率的な運 が行える。さらに、CMM、VAMのようなメタン スを燃料とした場合、大気中へのメタンガ 放出量が削減され、地球温暖化防止に貢献 きる。

 本発明は、好ましくは、前記ダクトバー と再生器との間に、第2触媒燃焼器を備えて いる。この構成によれば、ダクトバーナによ る燃焼では、排ガス温度を第2触媒燃焼器で 触媒燃焼が可能な程度の温度に上昇させる けで済むので、ダクトバーナに供給する高 度の(良質な)第1補助燃料の量が少なくて済 。また、圧縮機からの抽気を利用してター ンのような高温部分の冷却や軸封を行う場 、冷却や軸封後の抽気である混合ガスはタ ビン下流の排ガスに混入される。また、触 燃焼器内の触媒性能が低下したときの未燃 混合ガスも前記排ガスに混入されている。 ガスに混入されたこれら混合ガスは、第2触 燃焼器で触媒反応により燃焼される。この め、未反応の混合ガスがそのまま排出され すり抜けが防止される。

 本発明は、好ましくは、前記ダクトバー と第2触媒燃焼器との間に、排ガスに第2補 燃料を導入する第2補助燃料導入部を備えて る。このように、ダクトバーナと第2触媒燃 焼器との間で排ガスに第2補助燃料を導入す ことにより、ダクトバーナで火炎燃焼させ ために必要な高濃度の(良質な)第1補助燃料 導入量が減少する。他方、第2補助燃料は、 2触媒燃焼器での触媒反応により燃焼される ので、低濃度で利用価値がない燃料を使用で きる。

 本発明は、好ましくは、前記第1触媒燃焼 器の入口温度を検出する温度センサと、前記 入口温度が所定範囲となるように少なくとも 前記第1補助燃料の供給量を制御する燃料制 手段とを備えている。この構成によれば、 なくとも第1補助燃料の供給量を制御して入 温度が所定範囲に調整されるので、第1補助 燃料を節約できる。

 本発明は、好ましくは、前記圧縮機の吸 側に、混合ガスに第3補助燃料を混入させて 混合ガスの燃料濃度を高める第3補助燃料導 部を備えている。この構成によれば、始動 に前記第1触媒燃焼器の入口温度が所定温度 達したとき、第3補助燃料導入部から第3補 燃料を導入することにより、第1触媒燃焼器 らタービンに送られる燃焼ガスの温度が上 してエンジン回転数が高められる。

 本発明は、好ましくは、前記圧縮機の吸 側に、前記混合ガスに空気を混入させて前 混合ガスの燃料濃度を低下させる空気導入 を備える。この構成によれば、エンジンの 急停止時には前記圧縮機の吸入側に設けた 気導入口から空気を吸い込むことにより、 合気の濃度を薄めて触媒燃焼器での温度上 を抑え、エンジン停止に要する時間を短く ることができる。

 本発明は、好ましくは、前記再生器にお る前記排ガスの通路の壁面に、前記排ガス 酸化させる触媒を担持させている。この構 によれば、第2触媒燃焼器が不要となるので 、全体構成がさらに簡素化される。

 本発明の好ましい実施形態では、さらに 燃料と空気の前記混合ガスを前記再生器か 排出される排ガスに混入するガス混入通路 、前記混合ガスが混入された排ガス中の燃 成分を触媒反応により酸化させる触媒反応 と、前記触媒反応器からの酸化済排ガスに って前記ガス混入通路内の混合ガスを加熱 る熱交換器とを備えている。この構成によ ば、混合ガスとして、CMM,VAMのようなメタン 濃度の低いガスを使用した場合、NOxの発生な く、さらに多くの混合ガスを処理してメタン ガス放出量を削減できる。

[発明の効果]
 本発明によれば、従来のように予燃焼器等 加温システムを用いることなく、全体を簡 化しながら効率的な運転を行うことができ 。

本発明の第1実施形態にかかる希薄燃料 吸入ガスタービンシステムを示す簡略構成図 である。 本発明の第2実施形態に用いる再生器の 斜視図である。 本発明の第3実施形態にかかる希薄燃料 吸入ガスタービンシステムを示す簡略構成図 である。

 以下、本発明の好ましい実施形態を図面 基づいて説明する。

 図1に示したように本発明の第1実施形態 よるガスタービンシステムGTは、圧縮機1、 金やパラジウムなどの触媒を含む第1触媒燃 器2、およびタービン3を有している。低カ リーガス、例えば、埋立地で発生するラン フィルガス、炭鉱で発生するCMM,VAMのような 空気と燃料(可燃成分)の混合ガスG1が、圧縮 機1で圧縮され、その圧縮ガスG2が第1触媒燃 器2に送られて、白金やパラジウムなどの触 により燃焼され、それにより発生する高圧 燃焼ガスG3がタービン3に供給されて、これ 駆動する。ここで、混合ガスG1中の燃料濃 (可燃成分濃度)は可燃濃度限界以下であるか ら、圧縮機1での圧縮により昇温しても、着 しない。タービン3は圧縮機1に回転軸5を介 て連結され、このタービン3により圧縮機1が 駆動される。また、ガスタービンシステムGT 出力により、負荷の一種である発電機4が駆 動される。こうして、ガスタービンシステム GTを含む発電装置50が構築されている。前記 合ガスG1には適宜、高濃度の可燃成分を加え て、燃料濃度を高めることができる。

 ガスタービンシステムGTには、さらに、 ービン3からの排ガスG4によって圧縮機1から 1触媒燃焼器2に導入される圧縮ガスG2を加熱 する再生器6と、タービン3と再生器6の間に配 置されて排ガスG4を第1補助燃料F1により火炎 焼させるダクトバーナ7を備えている。ダク トバーナ7には、例えば流量制御弁からなる 1補助燃料供給部8を通して、第1補助燃料源11 から、火炎燃焼が可能な天然ガスのような第 1補助燃料F1が供給される。再生器6から流出 た排ガスG4は、図示しないサイレンサを通っ て消音されたのち、大気中に放出される。

 図1の実施形態では、前記ダクトバーナ7 再生器6との間に、白金やパラジウムなどの 媒が担持された第2触媒燃焼器9を設置する ともに、この第2触媒燃焼器9とダクトバーナ 7との間の排ガス通路に、排ガスG4に第2補助 料F2を導入する噴射ノズルのような第2補助 料導入部13が設けられており、この第2補助 料導入部13に、流量制御弁のような第2補助 料供給部14を通して、第2補助燃料源15から、 前記混合ガスG1と同様な第2補助燃料F2が供給 れる。また、前記第1触媒燃焼器2の入口側 は、その入口温度を検出する第1の温度セン 71を設置している。

 さらに、装置全体をコントロールするコ トローラ21に燃料制御手段22を設け、これに 第1の温度センサ71からの温度検出信号を入力 し、前記第1、第2補助燃料供給部8、14に対し 制御信号を出力する。そして、ガスタービ システムGTの回転数の上昇に応じて第1触媒 焼器2の入口温度が一定となるように、第1 温度センサ71の検出温度に基づく燃料制御手 段22からの出力により、第1、第2補助燃料供 部8、14を制御して第1、第2補助燃料F1、F2へ 補助燃料供給量を制御する。このとき、第1 媒燃焼器2の入口温度を所定範囲に制御する のに、第1補助燃料供給部8からの燃料供給量 制御するだけで行ってもよい。

 また、前記圧縮機1の上流側の吸気通路に は、混合ガスG1に第3補助燃料F3を混入させて 合ガスG1の燃料濃度を高める、噴射ノズル ような第3補助燃料導入部17が設けられてお 、この第3補助燃料導入部17に、流量制御弁 ような第3補助燃料供給部18を通して、第3補 燃料源19から、天然ガスのような、混合ガ G1よりも燃料濃度(メタン濃度)の高い第3補助 燃料F3が供給される。第3補助燃料供給部18は ントローラ21の燃料制御手段22により制御さ れる。前記第1触媒燃焼器2の入口温度が所定 度に達したとき、前記燃料制御手段22から 出力に基づき第3補助燃料供給部18から第3補 燃料F3を混合ガスG1に混入させてガスタービ ンシステムGTの回転数を高める。

 前記各補助燃料F1,F2は、大気圧程度であ タービン3からの排ガス通路に導入されるの 、燃料圧縮機による昇圧動力は極めて少な 。また、前記補助燃料F3はガスタービンシ テムGTの圧縮機1によって昇圧されるので、 料圧縮機は不要である。

 さらに、圧縮機1の上流側の吸気通路には 、混合ガスG1に、空気Aを混入させる開放弁の ような空気導入部23が設けられている。

 上記構成のガスタービンシステムGTは、 ンドフィルガスやCMMなどの低カロリーガス 含む空気と燃料の混合ガスG1が圧縮機1で圧 され、その圧縮ガスG2が第1触媒燃焼器2で触 反応により燃焼され、ここで発生する高圧 燃焼ガスG3によりタービン3が回転されて前 圧縮機1および発電機などの負荷4が駆動さ る。ガスタービンシステムGTの始動時には発 電機4をスタータとして使用し、ガスタービ システムGTの回転数を低回転数に保持する。

 始動時や部分負荷運転などの低回転時に 第1触媒燃焼器2の入口側に設けた第1の温度 ンサ71による検出温度が第1触媒燃焼器2の触 媒反応の開始温度(例えば300℃以上)に達しな 場合、コントローラ21の燃料制御手段22から の指令に基づき、タービン3の排気側に設置 たダクトバーナ7に第1補助燃料供給部8から 1補助燃料F1が供給されて、この補助燃料F1に より、タービン3からの排ガスG4が、触媒燃焼 ではなく、火炎燃焼される。この火炎燃焼さ れた排ガスG4は再生器6に送られ、前記圧縮機 1から第1触媒燃焼器2に向かう圧縮ガスG2と熱 換して、この圧縮ガスG2を昇温させ、これ より前記第1触媒燃焼器2の入口温度を上昇さ せて触媒燃焼を開始させる。

 ダクトバーナ7では、排ガス温度を第2触 燃焼器9での触媒燃焼が可能な程度の温度に 昇させるだけで済むので、ダクトバーナ7に 供給する第1補助燃料F1の量が少なくて済む。 また、必要に応じて、第2補助燃料供給部14か ら、混合ガスG1と同様な低カロリーの第2補助 燃料F2が供給される。これにより、燃料濃度 高い第1補助燃料F1を節約できる。

 さらに、ガスタービンシステムGTの始動 は、第1の温度センサ71で検出される第1触媒 焼器2の入口温度が所定以上になったとき、 燃料制御手段22からの出力に基づき第3補助燃 料供給部13から前記混合ガスG1よりも燃料濃 の高い第3補助燃料F3が混合ガスG1に混入され る。これにより、第1触媒燃焼器2からの燃焼 スG3の温度が上昇してガスタービンシステ GTの回転数が高められる。

 ガスタービンシステムGTの通常運転時に 、第1の温度センサ71により第1触媒燃焼器2の 入口側温度が検出され、その検出結果に基づ き燃料制御手段22により第1~第3補助燃料供給 8、14、18からの第1~第3補助燃料F1~F3の供給量 が制御され、ガスタービンシステムGTの出力 応じて第1触媒燃焼器2の入口温度が所定温 (例えば300℃以上)に制御される。これにより 第1触媒燃焼器2による触媒燃焼が効率良く行 れる。また、第1触媒燃焼器2の入口温度の 御のために、必要に応じて第1補助燃料供給 8または第2補助燃料供給部14から、第1また 第2補助燃料F2が排ガス通路に供給される。

 ガスタービンシステムGTの緊急停止時に 、前記圧縮機1の吸気側に設けた空気導入口2 3を開放し、空気導入口23から空気を導入して 混合気G1の濃度を下げる。これにより、第1触 媒燃焼器2での燃焼反応による温度上昇が急 に低下し、ガスタービンシステムGTが完全停 止に至るまでの時間を短縮できる。

 一般に、ガスタービンにおいては、圧縮 からの抽気を利用してタービンのような高 部分の冷却や軸封を行い、冷却・軸封後の 気をタービン下流の排ガスに混入する。し がって、本発明では冷却・軸封後の混合ガ G1が排ガスに混入する。この混合ガスG1は排 ガスG4と混合して第2触媒燃焼器9で燃焼され 。このため、混合ガスG1中の燃料(メタンガ )が未反応のまま排出されてしまういわゆる タンガスのすり抜けの発生が防止される。 た、第1触媒燃焼器2内の触媒性能が低下し ときに第1触媒燃焼器2から排出される未反応 の燃料も、第2触媒燃焼器9で燃焼するので、 の場合のすり抜けも防止される。

 以上のように、予燃焼器等の加温システ を用いていないので、全体構成を簡略化し がら、効率的なガスタービンシステムGTの 転を行うことができ、混合ガスのすり抜け 防止できる。

 図2は本発明の第2実施形態における、第2 媒燃焼器9を兼ねる再生器6を示す。この再 器6は、複数のプレート31とフィン32を交互に 積層したプレートフィン型の熱交換器からな る。再生器6の前面が排ガスG4の流入口34、後 が排ガスG4の流出口35となっており、前面か ら後面方向にかけて排ガスG4の通路36が形成 れている。再生器6の右側面が圧縮ガスG2の 入口38、左側面が流出口39となっており、右 面から左側面にかけて圧縮ガスG2の通路40が 形成されている。フィン32は波形板からなり これと平板からなるプレート31とにより前 各通路36,40が形成されている。排ガスG4の通 36と圧縮ガスG2の通路40とは、上下に一つお に配置され、互いに直交している。

 こうして形成された排ガスG4の通路36の壁 面に、排ガスG4を触媒反応により燃焼させる 金やパラジウムなどの触媒を担持させてい 。これにより、図1の第2触媒燃焼器9が不要 なるので、ガスタービンシステムGTの全体 成がさらに簡素化される。

 図3は本発明の第3実施形態であり、図1の 1実施形態の発電装置50に、再生器6からの排 ガスG4の熱を利用して、混合ガスG1を酸化す 酸化装置60を付加したものである。これによ り、さらに多くのCMM,VAMに含まれるメタンガ の大気中への放出量削減を図っている。酸 装置60は、CMMまたはVAMのようなメタンガスを 含む混合ガスG1を再生器6から排出される排ガ スG4に混入するガス混入通路61と、混合ガスG1 が混入された混合排ガスG5に含まれている燃 成分、つまり混合ガスG1中の燃料を触媒反 により酸化させる触媒反応器62と、触媒反応 器62からの酸化済排ガスG6によって前記ガス 入通路61内の混合ガスG1を加熱する熱交換器6 3とを備えている。触媒反応器62の入口側には 、その入口温度、つまり混合ガスG1が混入さ たのちの混合排ガスG5の温度を検出する第2 温度センサ72を設置している。さらに、発 装置50のコントローラ21に第2の温度センサ72 らの温度検出信号を入力して、検出された 合排ガスG5の温度に基づいてブロワ64の送風 量を制御する。これにより、排ガスG4に混入 れる混合ガスG1の量を調整して、触媒反応 62の入口温度を、触媒作用に好適な所定範囲 (例えば、250~300℃)に制御する。本実施形態で は、酸化装置60の制御を、発電装置50のコン ローラ21により行っているが、コントローラ 21とは別に酸化装置60専用のコントローラを けてもよい。

 なお、本発明は、混合ガスとして前記CMM VAM以外の可燃性ガスあるいは可燃成分を含 ガスも使用できる。

 以上、本発明の好ましい実施形態につい 説明したが、上記実施形態は本発明の範囲 で適宜変更することができる。




 
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