JP3788071B2 - gas turbine - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンに係わり、ガスタービンの圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気の供給量を制御する手段を備えたガスタービンに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガスタービンの燃焼器に供給されて燃焼される燃料として、石炭ガス化炉発生ガスや高炉やコークス炉で発生するガス(副生ガス)等種々の燃料が使用されている。しかし、係るガスは、通常の燃料に比べて発熱量(カロリ)が低いという特性を有する。特開昭60−222531号公報には、多段可変翼を備えた空気圧縮機,燃料圧縮機を設けて、燃焼器で燃焼させる燃料の発熱量に応じて前記多段可変翼を制御して、燃料・空気比を適正化するよう制御することが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公知例の装置では、圧縮機の構造自体が複雑化してしまう。また、LNG等の通常の燃料は発熱量約10000kcal/kg 程度であるのに対して高炉等の副生ガスの発熱量はその約1/10の1000kcal/kg 程度と低い。この低カロリ燃料を燃焼させて通常燃料供給時と同様に高温高圧ガスを発生させるためには燃料ガスの発熱量に応じて通常燃料より多量の燃料流量(この場合約10倍程度)を燃焼器に投入する必要があることになる。このように多量の燃焼ガスがタービンに流れ込むと、圧縮機吐出圧が上昇し、圧縮機のサージングに対するマージンが減少してしまう。これに対して、タービンに流れ込む燃焼ガス量を通常燃料におけるタービンと同一にするように、圧縮機を通常燃料のガスタービン圧縮機よりも風量の少ないものを用いて圧縮機の吐出圧力を一定にしようとすると、発熱量の異なる複数の燃料ガスを燃焼器に供給する場合には一つの圧縮機では対応できない。
【0004】
本発明の目的は、燃焼器に異なるカロリ(発熱量)の燃料が供給される場合であっても、安定した運転ができるガスタービンを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気と発熱量の異なる複数の燃料とが供給され燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、を備えたガスタービンにおいて、
前記圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気の一部を系外に抽気する抽気手段と、発熱量の異なる燃料の使用に応じて、前記抽気手段から系外に抽気される抽気量を変化させて、燃焼器に供給される圧縮空気の圧力変動を抑制するように制御する制御手段と、を備えたものである。
【0006】
これにより、供給される燃料のカロリが異なっても、ガスタービンを安定して容易に制御できる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例であるガスタービンを図1を用いて説明する。
【0008】
石炭は石油より埋蔵量が豊富で石油の代替燃料として注目されており、そのため火力発電設備としてのガスタービンの燃焼器に使用される燃料に石炭ガス化炉発生ガスを使用するプラントが近年注目されている。一方、製鉄所の高炉やコークス炉で発生する副生ガスは熱風炉,加熱炉等に配分されるが、融通性の高い電力への変換で活用される場合もある。但し、この高炉やコークス炉で発生する副生ガスは、カロリが低いだけでなく圧力が低いので、ガスタービン用燃料として使用する場合は昇圧する必要がある。
【0009】
大気111が供給される圧縮機101とタービン102が軸401を介して連結され、タービン102と昇圧用低カロリガス圧縮機115はタービン102と軸402により連結されている。同軸403には負荷(発電機)103が連結されている。圧縮機101から吐出されている圧縮空気は燃焼器104に供給され、燃料が燃焼される。燃焼器104からの燃焼排ガスはタービン102に供給されタービン102を駆動する。タービン102の排気112は必要に応じて排熱回収ボイラ等の熱源として利用される。
【0010】
圧縮機101により圧縮された圧縮空気は流量を制御する制御弁117を備えた抽気ライン116を経て、前記タービン102と連結する軸とは連結していない別置の膨張タービン等のエキスパンダ113に供給される。エキスパンダ113を流れたエキスパンダ排気118は、例えば、プラント内の空気の必要な箇所等に供給される。
【0011】
エキスパンダ113と軸405を介して昇圧用低カロリガス圧縮機114が連結され、低カロリガスの供給手段から供給される低カロリガス105を昇圧する。昇圧用低カロリガス圧縮機114により昇圧された1次昇圧低カロリガス106はガスタービン102と軸402で連結する昇圧用低カロリガス圧縮機115に供給される。同圧縮機115を経てさらに昇圧された2次昇圧低カロリガスは低カロリ燃料供給ライン107により燃焼器104へ供給されるが、この低カロリガスの流量を制御する低カロリガス流量制御弁108を経て燃焼器104に供給される。
【0012】
一方、油或いはLNG等の通常の高カロリ燃料は通常の燃料の供給手段から、通常液体燃料供給ライン109により供給され、同ライン109には燃焼器104に供給される燃料流量を制御する流量制御弁110を備える。
【0013】
前記低カロリガスの流量制御弁108付近の低カロリ燃料供給ライン107には燃料の発熱量を検出する検出装置130が設置されている。かかる燃料の発熱量を検出出来るものであれば、同検出装置に限らなくてもよい。
【0014】
各流量制御弁117,110,108を制御する制御装置120が備えられ、制御装置120にはガスタービン負荷を検出するための負荷検出器123から負荷信号が入力されている。本実施例は発電機103からの信号を元にしたものである。
【0015】
圧縮機101とガスタービン102及び燃焼器104からなる通常のガスタービンと負荷103(発電機等)の構成までは通常の発熱量の燃料によるガスタービンプラントと同じである。通常の発熱量の燃料の場合はこの燃料のための液体燃料供給ライン109を用い、制御弁110により燃焼器104に供給する燃料を制御し、ベース負荷運転モードで燃焼温度一定運転する。本実施例では、低カロリガスの燃料に対応し、供給圧力が低いこの低カロリガスを昇圧するための昇圧用低カロリガス圧縮機115および燃焼器104に低カロリ燃料を供給する低カロリ燃料供給ライン107と制御弁108が設置される。低カロリガスを燃焼ガスとして使用する場合、液体燃料供給ライン109からの通常の燃料は制御弁110により閉じ、低カロリ燃料供給ラインに設けた低カロリガス用の制御弁108を開いて燃料を制御する。ガスタービン燃焼温度が一定となるようガスタービンの排気温度と圧縮機出口圧力の関係で運転の制御を行うが、このまま運転した場合、燃料の発熱量が低いために通常燃料使用時と同様の燃焼温度とするためには多量の低カロリガスが燃焼器104に流入することになる。この結果、圧力比が上昇し圧縮機のサージマージンが減少するという問題が生じる。本実施例ではこれを避けるために、制御弁117の開度制御によって圧縮機101からの抽気量を制御する。この抽気空気の量は、燃料の発熱量が低いほど多くなり、高いほど少なくなるよう制御される。更に本実施例では、抽気された空気の動力を有効に活用するための別置エキスパンダ113と燃料圧縮機である別置の昇圧用低カロリガス圧縮機114をもつ。別置エキスパンダ113に導かれた圧縮機101の出口からの抽気空気は膨張仕事して動力を生みだし、昇圧用低カロリガス圧縮機114を駆動する。このエキスパンダ113と組み合わされた軸405を介して連結する昇圧用低カロリガス圧縮機114で昇圧する動力分だけガスタービン軸に設置された昇圧用低カロリガス圧縮機115の動力が低減できる。加えて、圧縮機101の動力を有効に利用でき全体としてプラント効率の高い運転ができる。
【0016】
尚、上記構成は、低カロリ燃料ガスを別置の昇圧用低カロリガス圧縮機114で1次昇圧された後、ガスタービン102と連結される昇圧用低カロリガス圧縮機115で2次昇圧されて燃焼器104に供給されているが、前記低カロリ燃料ガスをガスタービン102と連結される昇圧用低カロリガス圧縮機115で1次昇圧された後、別置の昇圧用低カロリガス圧縮機114で2次昇圧されて燃焼器104に供給されるように構成してもよい。
【0017】
このように、圧縮機吐出空気の抽気ライン116と制御弁117を設けて圧縮機からの抽気量を制御し、また圧縮機101から抽気した空気を別置のエキスパンダ113と昇圧用低カロリガス圧縮機114によって有効に利用する。これにより、圧縮機101のサージマージンを減少させることなく、性能を低下させることなく、又、1000kcal/kg 程度の低カロリ燃料から約10000kcal/kgの通常燃料まで燃焼器104で燃焼させてもガスタービンの出力や効率の低下を抑制して自在に運転することができる。
【0018】
ここで図1のガスタービンの運転を説明する。本体ガスタービン102は圧縮機101及び負荷103を持つ。起動時の燃料は通常、軽油等の通常燃料である高カロリの液体燃料或いはLNG燃料とし、液体燃料供給ライン109,制御弁108を用いて通常燃料を燃焼器104に供給し、また、圧縮機の抽気ライン116に設置した制御弁117を閉にして燃料を燃焼させる。燃焼器104で燃焼した燃焼ガスはガスタービン102を駆動し発電機のような負荷103を駆動する。そして石炭をガス化したガス化燃料又は高炉やコークス炉で発生する副生ガスである低カロリ燃料をガスタービン用燃料として使用する場合、この種の低カロリ燃料ガスは着火性能が通常の燃料より低いので、ガスタービン起動から安定運転までは高カロリ燃料である液体燃料,LNG燃料を使用する。その後、液体燃料,LNG燃料から低カロリ燃料への切り替えが可能な状態になったときに、燃料切替操作を実施する。燃料切り替えは、まず低カロリ燃焼供給ライン107の制御弁108を微開し、低カロリガスを燃焼器104に導く。燃焼器104での低カロリガスの着火を確認した後、低カロリガス系統の制御弁108の開度を大きくして低カロリガスの流量を増加させる一方、液体燃料流量制御弁110の開度を小さくして燃焼器104に供給される高カロリの液体燃料の流量を減少させる。切り替えはガスタービンの部分負荷で行えば、圧力比の余裕も十分あるため抽気ライン116の抽気流量制御弁117を閉めたままでも行うことができる。切替後は自由にガスタービンの負荷を変えて運転することができる。通常燃料(液体燃料等)は、例えばガスタービン起動時,停止時、又は低カロリガスの副生ガス等の燃料供給に支障が生じた時に供給される。(この時は例えば制御弁117,108を閉すると共に制御弁110を開するように切替制御する。)
図2は前記の図1に示したガスタービン系統と基本的構成は同じであるが、更に別置エキスパンダ113で駆動される昇圧用低カロリガス圧縮機114に軸406で連結された発電機兼電動機219が加わったものである。図2において114は図1のように低カロリガス圧縮機であるが、エキスパンダ113と圧縮機114の負荷との間に差が生じた場合、つまりエキスパンダの動力が不足の場合、219を電動機として使用し、エキスパンダ動力が超過する場合、219を発電機として使用する。その他は図1と同じである。
【0019】
本実施例のように、構成することにより、通常の高カロリ燃料から低カロリガスへ燃料を切り替え、また、低カロリガスの発熱量が大きく変動した場合であっても安定した運転ができる。
【0020】
低カロリ燃料を供給する場合、低負荷時のガスタービン圧縮機吐出圧縮空気は圧力で低いので低圧の副生ガスをガスタービン燃焼器に供給しても特段の問題はない。また、前記のような多量の副生ガスを供給しても、それほど吐出圧縮空気圧は上昇しない。しかし、負荷が上昇するにつれ、ガスタービン初段静翼入口温度が上昇するため圧力が上昇し、加えて燃料消費量も増加するため、燃焼器内圧は急激に上昇する恐れがあるが、本発明により、サージングを防止して安定に負荷変動できる。また、前記負荷上昇等に伴う圧力増加等による副生ガスの必要圧力幅が大きくなる点やガスタービン圧縮機のサージング許容幅を大きくとる必要がある点等を円滑に解決できる。
【0021】
図3,図4は本発明の実施例の運転時の本体ガスタービン圧縮機吐出圧変化を比較したものである。図3は、ガスタービンの部分負荷時から全負荷まで圧縮機から抽気する時の低カロリ燃料ガスタービンの圧縮機吐出圧力と通常燃料ガスタービンの圧縮機出口圧力のガスタービン負荷に対する変化を示したものである。特に、低カロリ燃料ガスタービンの圧縮機出口圧力が通常燃料ガスタービン圧縮機の最高吐出圧より高くならないよう圧縮機からの抽気量を制御している。
【0022】
図4は、ガスタービンの部分負荷時、特に、無負荷から全負荷まで抽気するときの低カロリ燃料ガスタービン圧縮機吐出圧力と通常燃料ガスタービン圧縮機出口圧力のガスタービン負荷に対する変化を示す。
【0023】
図3,図4の両図とも、低カロリ燃料ガスタービン及び通常燃料ガスタービンの圧縮機吐出空気圧のガスタービン負荷に対する変化の例を示し、それぞれガスタービン負荷0%のときの圧力を(531),(631)で、ガスタービン負荷100%のときの圧力を(532),(632)及び(533),(633)で示す。実際の変化は単純ではないが図は変化を直線で示した。低カロリ燃料ガスタービンの圧力が通常燃料ガスタービンより高いのは、燃料の発熱量が低いため、高温高圧ガスを発生させるためには、通常燃料よりも多量の燃料を燃焼器へ投入するためである。この圧縮機出口圧力は、圧縮機ケーシングやタービンケーシングの設計圧力に関わり、また圧縮機のサージング限界圧力の問題もあるので通常燃料ガスタービンと同じケーシングであれば、通常燃料ガスタービンの最高圧力よりも高くなってはならない。図4で所定のガスタービン部分負荷(535)以上では圧縮機吐出空気の抽気を行って、吐出圧をこの所定の部分負荷(536)からガスタービン負荷100%(533)まで一定とし、通常燃料ガスタービンの負荷100%における最高圧力(533)以下に抑えることができる。この圧力変化の部分を図で斜線(538),(539)で夫々示す。
【0024】
低カロリ燃料ガスタービンの抽気開始点を早めたものを図4に示す。図では前記所定の負荷の場合より低い圧力値(636)が抽気開始点で、そのときの部分負荷は(635)である。この(636)はさらに早めて無負荷の場合の圧力(631)としてもよい。運転パターンは無負荷(631)から負荷上昇に伴い圧力上昇して圧力(636)のとき、抽気を開始し、所定負荷までの間圧力一定で負荷(641)からは通常ガスタービンの吐出圧力に合わせて上昇させてもよく、または抽気量を調整して圧力(636),(641),(633)の変化線とは異なった圧力になる運転もできる。吐出圧を(636)以下に保持すれば、強度の問題もサージングの問題も発生しない。例えば、起動時は通常燃料で着火後、負荷(535)(635)より低い部分負荷で、前述のように低カロリ燃料への切り替えを行い、その後上記のようにガスタービン負荷に応じて抽気ライン116の制御弁117を制御して圧縮機101の吐出圧力を制御する。
【0025】
図5は燃焼温度一定運転における、抽気量と圧縮機吐出圧力の関係を示したものである。通常ガスタービンのベース負荷運転は排気温度と圧縮機出口圧力の関係である排気温度制御線にて制御されるが、このときのガスタービンの状態は燃焼温度一定の運転であり、図5は通常のベース負荷運転制御における抽気量と圧縮機吐出圧力の関係を示したものと言い換えてよい。抽気量を増加させると前述のようにタービンへのガス流量が減少することになるために圧縮機吐出圧力は低下し、図の711の線に示すような関係にある。プラントに供給される燃料ガスの発熱量が低くなると、より多量の燃料を燃焼器104へ投入することになるため圧縮機吐出圧力は上昇するので図の712の線に示すような特性となる。一方、燃料ガスの発熱量が高くなると逆に圧縮機吐出圧力は低下するので図の713の線に示すような特性となる。
【0026】
抽気量を調整する制御方法を持たない場合、燃料ガスの発熱量が低くなると図6においてA点からD点へ圧縮機吐出圧力が上昇してしまうため、燃焼温度を低下させて圧縮機吐出圧力を一定に保つことになるが、燃焼温度の低下はサイクル効率の低下を招く。
【0027】
本実施例においては、発熱量が低くなった場合、抽気流量を増加(721→723)させることにより圧縮機吐出圧力を一定に保つ。逆に発熱量が高くなった場合、抽気流量を減少(721→722)させることにより圧縮機吐出圧力を一定に保つ。すなわち、図6に示すような発熱量と抽気流量の関係(811)を制御装置に組み込み、発熱量の変化に対応して抽気流量制御弁117にて抽気量を調整する。圧力比812を一定にするように、燃料の発熱量が大きい場合より小さい場合に抽気量を増大させるように制御する。
【0028】
例えばCで発熱量(822)の時、抽気量(832)とし、Aで発熱量(821)の時抽気量(831)とし、Bで発熱量(823)の時、抽気量(833)とする。
【0029】
例えば、具体的には、図1に示すガスタービン系統図において、制御弁108付近の低カロリ燃料供給ライン107に燃料の発熱量の検出器130を設け、かかる検出器130の検出信号に基づいてライン116の制御弁117を制御して抽気量をコントロールする。このときガスタービンの圧力比は図6に示す812のように常に一定に保たれる。以上のように発熱量に対して抽気流量を調整し、図5の714線上を動くように制御することによりガスタービンを最適な状態で運転することが出来る。
【0030】
なお、燃焼器104の内部の流量配分を発熱量に応じて変化させる場合を考えても良い。これは、ガスタービンを構成する要素である燃焼器の内部での流量を変化させるものである。燃料の発熱量が低下すると、負荷を一定に保つよう燃料ガス流量が増加するが、さらに燃空比を一定にするためバイパス流量を減らして燃焼に必要な空気を増やすものである。この構成では、燃焼器を通過する空気の量は一定にしていて燃焼器内部での流量配分を変えるだけなので、燃料ガス量が増加すればその分タービンへ流入する流量は増え、圧力比が増加する。したがって、この構成では数%の発熱量変化では問題ないものの、発熱量が1/2より大きくなるような大きな変化には対応できない。図5において、発熱量が低くなるとバイパス量が増加するが、燃料ガスの増加に伴い圧力も上昇し、線715のような動きとなる。
【0031】
これらの実施例により、低カロリガスを供給する場合であっても燃焼温度を通常燃料供給時と比べて低下することを抑制できる。
【0032】
又、圧縮機吐出空気の抽気量を調整することによって吐出圧の変動を抑えられるため、ガスタービンの運転状態を最適化することが出来る。また、運転自由度を大きくとることができる。
【0033】
抽気を別置のエキスパンダ用空気源として利用でき、このエキスパンダの運転自由度は本体ガスタービンの運転条件にあまり影響されず、大きくとれ高い熱効率での運転範囲が広くできる。
【0034】
【発明の効果】
本発明により、燃焼器に異なるカロリの複数の燃料が供給される場合であっても、容易に安定したガスタービンの運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるガスタービンを示す系統図。
【図2】本発明の他の実施例であるガスタービンを示す系統図。
【図3】本発明の実施例に係わる負荷−圧縮機吐出圧力関係図。
【図4】本発明の実施例に係わる負荷−圧縮機吐出圧力関係図。
【図5】本発明の実施例に係わる燃焼温度一定条件での抽気流量と圧縮機吐出圧力の関係図。
【図6】本発明の実施例に係わる圧縮機吐出圧力を一定に保つための燃料ガスの発熱量と抽気流量の関係図。
【符号の説明】
101…空気圧縮機、102…本体ガスタービン、103…本体負荷(例えば発電機)、104…燃焼器、105…低カロリガス、106…1次昇圧低カロリガス、107…低カロリ燃料供給ライン、108…低カロリガス流量制御弁、109…液体燃料供給ライン、110…液体燃料流量制御弁、111…大気、112…排気、113…エキスパンダ、114,115…昇圧用低カロリガス圧縮機、116…抽気ライン、117…抽気流量制御弁、118…エキスパンダ排気。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine, and more particularly to a gas turbine provided with means for controlling a supply amount of compressed air supplied from a compressor of the gas turbine to a combustor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various fuels such as coal gasification furnace-generated gas, gas generated in a blast furnace and coke oven (by-product gas) have been used as fuel to be supplied to the combustor of the gas turbine and burned. However, such gas has a characteristic that the calorific value (calorie) is lower than that of normal fuel. Japanese Patent Laid-Open No. 60-222531 provides an air compressor and a fuel compressor having multistage variable blades, and controls the multistage variable blades according to the amount of heat generated by the fuel burned in the combustor. -It is described that control is performed to optimize the air ratio.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the known apparatus, the compressor structure itself is complicated. In addition, a normal fuel such as LNG has a calorific value of about 10,000 kcal / kg, whereas a calorific value of by-product gas such as a blast furnace is as low as about 1/10 of 1000 kcal / kg. In order to burn this low-calorie fuel and generate high-temperature and high-pressure gas in the same way as when supplying normal fuel, a combustor with a larger fuel flow rate (about 10 times in this case) than normal fuel according to the calorific value of the fuel gas. It will be necessary to throw in. When a large amount of combustion gas flows into the turbine in this way, the compressor discharge pressure rises and the margin for the surging of the compressor decreases. On the other hand, the compressor discharge pressure is kept constant by using a compressor with a smaller air volume than the gas turbine compressor of normal fuel so that the amount of combustion gas flowing into the turbine is the same as that of the turbine in normal fuel. When trying to supply a plurality of fuel gases having different calorific values to a combustor, a single compressor cannot cope.
[0004]
An object of the present invention is to provide a gas turbine capable of stable operation even when fuel of different calories (calorific value) is supplied to a combustor.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a compressor, a combustor that is supplied with compressed air discharged from the compressor and a plurality of fuels having different calorific values, and combusts, and is connected to the compressor via a shaft to burn from the combustor. A gas turbine comprising: a gas-supplied and driven turbine;
The extraction means for extracting a part of the compressed air supplied from the compressor to the combustor outside the system, and the amount of extraction extracted from the extraction means outside the system is changed according to the use of fuel having a different calorific value. And control means for controlling so as to suppress the pressure fluctuation of the compressed air supplied to the combustor.
[0006]
Thereby, even if the calories of the supplied fuel are different, the gas turbine can be controlled stably and easily.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A gas turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0008]
Coal is abundant in oil reserves and attracts attention as an alternative fuel for petroleum. Therefore, plants that use coal gasifier-generated gas as fuel for gas turbine combustors as thermal power generation facilities have attracted attention in recent years. ing. On the other hand, by-product gas generated in blast furnaces and coke ovens at steelworks is distributed to hot blast furnaces, heating furnaces, etc., but there are cases where it is used for conversion to highly flexible power. However, the by-product gas generated in the blast furnace or coke oven is not only low in calorie but also low in pressure, so it is necessary to increase the pressure when used as fuel for a gas turbine.
[0009]
The compressor 101 to which the air 111 is supplied and the turbine 102 are connected via a shaft 401, and the turbine 102 and the boosting low calorie gas compressor 115 are connected to the turbine 102 by a shaft 402. A load (generator) 103 is connected to the coaxial 403. The compressed air discharged from the compressor 101 is supplied to the combustor 104, and the fuel is combusted. The combustion exhaust gas from the combustor 104 is supplied to the turbine 102 to drive the turbine 102. The exhaust 112 of the turbine 102 is used as a heat source such as an exhaust heat recovery boiler as needed.
[0010]
The compressed air compressed by the compressor 101 passes through an extraction line 116 provided with a control valve 117 for controlling the flow rate, and then enters an expander 113 such as a separate expansion turbine that is not connected to a shaft connected to the turbine 102. Supplied. The expander exhaust 118 that has flowed through the expander 113 is supplied to, for example, a place where air is required in the plant.
[0011]
A pressurizing low calorie gas compressor 114 is connected via the expander 113 and the shaft 405 to pressurize the low calorie gas 105 supplied from the low calorie gas supply means. The primary boosted low calorie gas 106 boosted by the boosting low calorie gas compressor 114 is supplied to the boosting low calorie gas compressor 115 connected to the gas turbine 102 by the shaft 402. The secondary boosted low calorie gas further boosted through the compressor 115 is supplied to the combustor 104 through the low calorie fuel supply line 107. The combustor passes through the low calorie gas flow control valve 108 for controlling the flow rate of the low calorie gas. 104.
[0012]
On the other hand, normal high-calorie fuel such as oil or LNG is supplied from a normal fuel supply means through a normal liquid fuel supply line 109, and a flow rate control for controlling the flow rate of fuel supplied to the combustor 104 in the line 109. A valve 110 is provided.
[0013]
A detection device 130 for detecting the amount of heat generated by the fuel is installed in the low calorie fuel supply line 107 in the vicinity of the low calorie gas flow control valve 108. If it can detect the emitted-heat amount of this fuel, it may not be restricted to the same detection apparatus.
[0014]
A control device 120 for controlling each flow control valve 117, 110, 108 is provided, and a load signal is input to the control device 120 from a load detector 123 for detecting a gas turbine load. This embodiment is based on a signal from the generator 103.
[0015]
The configuration of a normal gas turbine including a compressor 101, a gas turbine 102, and a combustor 104 and a load 103 (generator, etc.) is the same as that of a gas turbine plant using a normal amount of fuel. In the case of a fuel with a normal calorific value, the liquid fuel supply line 109 for this fuel is used, the fuel supplied to the combustor 104 is controlled by the control valve 110, and the combustion temperature is constant in the base load operation mode. In the present embodiment, a low calorie fuel supply line 107 for supplying low calorie fuel to the combustor 104 and a low calorie gas compressor 115 for pressurization for boosting the low calorie gas having a low supply pressure corresponding to the low calorie gas fuel, A control valve 108 is installed. When low calorie gas is used as combustion gas, normal fuel from the liquid fuel supply line 109 is closed by the control valve 110, and the fuel is controlled by opening the control valve 108 for low calorie gas provided in the low calorie fuel supply line. Operation is controlled based on the relationship between the gas turbine exhaust temperature and the compressor outlet pressure so that the gas turbine combustion temperature remains constant. A large amount of low calorie gas will flow into the combustor 104 to achieve temperature. As a result, there arises a problem that the pressure ratio increases and the surge margin of the compressor decreases. In the present embodiment, in order to avoid this, the amount of air extracted from the compressor 101 is controlled by controlling the opening degree of the control valve 117. The amount of this bleed air is controlled so as to increase as the calorific value of the fuel decreases and decrease as it increases. Furthermore, this embodiment has a separate expander 113 for effectively utilizing the power of the extracted air and a separate low-pressure gas compressor 114 for boosting that is a fuel compressor. The extracted air from the outlet of the compressor 101 guided to the separate expander 113 expands to generate power, and drives the pressurizing low calorie gas compressor 114. The power of the pressurizing low calorie gas compressor 115 installed on the gas turbine shaft can be reduced by the amount of power boosted by the pressurizing low calorie gas compressor 114 connected through the shaft 405 combined with the expander 113. In addition, the power of the compressor 101 can be used effectively, and operation with high plant efficiency can be achieved as a whole.
[0016]
In the above configuration, the low-calorie fuel gas is first boosted by a separate boosting low-calorie gas compressor 114 and then boosted by a boosting low-calorie gas compressor 115 connected to the gas turbine 102 and burned. The low-calorie fuel gas is firstly boosted by a boosting low-calorie gas compressor 115 connected to the gas turbine 102, and then secondarily boosted by a separate boosting low-calorie gas compressor 114. The pressure may be increased and supplied to the combustor 104.
[0017]
In this way, the bleed line 116 and the control valve 117 for the compressor discharge air are provided to control the amount of bleed from the compressor, and the air extracted from the compressor 101 is separately provided with the expander 113 and the low calorie gas compression for boosting. The machine 114 is used effectively. As a result, even if the combustor 104 burns from a low calorie fuel of about 1000 kcal / kg to a normal fuel of about 10,000 kcal / kg without reducing the surge margin of the compressor 101 and without reducing the performance. It is possible to operate freely while suppressing a decrease in output and efficiency of the turbine.
[0018]
Here, the operation of the gas turbine of FIG. 1 will be described. The main body gas turbine 102 has a compressor 101 and a load 103. The fuel at the time of start-up is usually high calorie liquid fuel such as light oil or LNG fuel, and the normal fuel is supplied to the combustor 104 using the liquid fuel supply line 109 and the control valve 108, and the compressor The control valve 117 installed in the bleed line 116 is closed to burn the fuel. The combustion gas burned in the combustor 104 drives the gas turbine 102 and drives a load 103 such as a generator. When using low-calorie fuel, which is a gasification fuel gasified from coal or a by-product gas generated in a blast furnace or coke oven, as a fuel for a gas turbine, this type of low-calorie fuel gas has an ignition performance higher than that of a normal fuel. Since it is low, liquid fuel and LNG fuel, which are high calorie fuels, are used from gas turbine startup to stable operation. Thereafter, when it becomes possible to switch from the liquid fuel or the LNG fuel to the low calorie fuel, the fuel switching operation is performed. In the fuel switching, first, the control valve 108 of the low calorie combustion supply line 107 is slightly opened to guide the low calorie gas to the combustor 104. After confirming the ignition of the low calorie gas in the combustor 104, the opening degree of the control valve 108 of the low calorie gas system is increased to increase the flow rate of the low caloric gas, while the opening degree of the liquid fuel flow rate control valve 110 is reduced. The flow rate of the high calorie liquid fuel supplied to the combustor 104 is reduced. If switching is performed with a partial load of the gas turbine, the pressure ratio has a sufficient margin, so that the extraction flow control valve 117 of the extraction line 116 can be kept closed. After switching, the operation of the gas turbine can be freely changed. The normal fuel (liquid fuel or the like) is supplied, for example, when the gas turbine is started or stopped, or when a fuel supply such as a by-product gas of low calorie gas is hindered. (At this time, for example, switching control is performed so that the control valves 117 and 108 are closed and the control valve 110 is opened.)
FIG. 2 has the same basic configuration as the gas turbine system shown in FIG. 1, but is further connected to a boosting low calorie gas compressor 114 driven by a separate expander 113 and connected to a generator 406 by a shaft 406. An electric motor 219 is added. In FIG. 2, 114 is a low calorie gas compressor as shown in FIG. 1, but when there is a difference between the expander 113 and the load of the compressor 114, that is, when the power of the expander is insufficient, 219 is the electric motor. If the expander power is exceeded, 219 is used as a generator. Others are the same as FIG.
[0019]
By configuring as in the present embodiment, the fuel can be switched from normal high calorie fuel to low calorie gas, and stable operation can be performed even when the calorific value of the low calorie gas varies greatly.
[0020]
When supplying low calorie fuel, there is no particular problem even if low pressure by-product gas is supplied to the gas turbine combustor because the gas turbine compressor discharge compressed air at low load is low in pressure. Further, even if a large amount of by-product gas as described above is supplied, the discharge compression air pressure does not increase so much. However, as the load rises, the gas turbine first stage stationary blade inlet temperature rises, the pressure rises, and the fuel consumption also increases. , Surging can be prevented and the load can be changed stably. In addition, it is possible to smoothly solve the point that the necessary pressure width of the by-product gas is increased due to the pressure increase accompanying the load increase and the like, and the surging allowable width of the gas turbine compressor needs to be increased.
[0021]
3 and 4 are comparisons of main body gas turbine compressor discharge pressure changes during operation of the embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the change of the compressor discharge pressure of the low calorie fuel gas turbine and the compressor outlet pressure of the normal fuel gas turbine with respect to the gas turbine load when extracting from the compressor from the partial load to the full load of the gas turbine. Is. In particular, the amount of bleed air from the compressor is controlled so that the compressor outlet pressure of the low calorie fuel gas turbine does not become higher than the maximum discharge pressure of the normal fuel gas turbine compressor.
[0022]
FIG. 4 shows changes in the low-calorie fuel gas turbine compressor discharge pressure and the normal fuel gas turbine compressor outlet pressure with respect to the gas turbine load when the gas turbine is partially loaded, particularly when extracting from no load to full load.
[0023]
3 and 4 show examples of changes in the compressor discharge air pressure of the low calorie fuel gas turbine and the normal fuel gas turbine with respect to the gas turbine load, and the pressure when the gas turbine load is 0% is (531). , (631), the pressure when the gas turbine load is 100% is indicated by (532), (632) and (533), (633). The actual change is not simple, but the figure shows the change as a straight line. The pressure of the low calorie fuel gas turbine is higher than that of the normal fuel gas turbine because the calorific value of the fuel is low, and in order to generate high-temperature and high-pressure gas, a larger amount of fuel than normal fuel is injected into the combustor. is there. This compressor outlet pressure is related to the design pressure of the compressor casing and turbine casing, and there is also a problem of the surging limit pressure of the compressor, so if it is the same casing as the normal fuel gas turbine, it will be higher than the maximum pressure of the normal fuel gas turbine. Should not be too high. In FIG. 4, the compressor discharge air is extracted at a predetermined gas turbine partial load (535) or higher, and the discharge pressure is kept constant from the predetermined partial load (536) to the gas turbine load 100% (533). It can be suppressed to a maximum pressure (533) or less at a gas turbine load of 100%. This pressure change portion is indicated by oblique lines (538) and (539) in the figure.
[0024]
FIG. 4 shows an earlier extraction start point of the low calorie fuel gas turbine. In the drawing, the pressure value (636) lower than that in the case of the predetermined load is the extraction start point, and the partial load at that time is (635). This (636) may be further accelerated to the pressure (631) in the case of no load. When the operation pattern is no load (631), the pressure increases as the load increases and the pressure is (636), bleed is started, the pressure is constant until the predetermined load, and from the load (641) to the normal gas turbine discharge pressure. The operation may be performed at the same time, or the operation can be performed at a pressure different from the change lines of the pressures (636), (641), and (633) by adjusting the extraction amount. If the discharge pressure is kept below (636), neither a problem of strength nor a problem of surging occurs. For example, at the time of start-up, after igniting with normal fuel, switching to low-calorie fuel as described above is performed at a partial load lower than the loads (535) and (635), and then the extraction line is changed according to the gas turbine load as described above. The control valve 117 of 116 is controlled to control the discharge pressure of the compressor 101.
[0025]
FIG. 5 shows the relationship between the amount of bleed and the compressor discharge pressure in a constant combustion temperature operation. Normally, the base load operation of the gas turbine is controlled by an exhaust temperature control line that is a relationship between the exhaust temperature and the compressor outlet pressure. At this time, the state of the gas turbine is an operation at a constant combustion temperature, and FIG. In other words, the relationship between the amount of bleed air and the compressor discharge pressure in the base load operation control is shown. When the amount of extraction is increased, the gas flow rate to the turbine decreases as described above, so the compressor discharge pressure decreases, and the relationship is shown by the line 711 in the figure. When the calorific value of the fuel gas supplied to the plant is lowered, a larger amount of fuel is introduced into the combustor 104 and the compressor discharge pressure rises, so that the characteristic shown by the line 712 in the figure is obtained. On the other hand, when the calorific value of the fuel gas increases, the compressor discharge pressure decreases, so that the characteristic shown by the line 713 in the figure is obtained.
[0026]
If there is no control method for adjusting the amount of bleed, the compressor discharge pressure rises from point A to point D in FIG. 6 when the calorific value of the fuel gas decreases, so the compressor discharge pressure is lowered by lowering the combustion temperature. However, a reduction in combustion temperature leads to a reduction in cycle efficiency.
[0027]
In this embodiment, when the calorific value becomes low, the compressor discharge pressure is kept constant by increasing the extraction flow rate (721 → 723). On the other hand, when the calorific value becomes high, the compressor discharge pressure is kept constant by decreasing the extraction flow rate (721 → 722). That is, the relationship (811) between the heat generation amount and the extraction flow rate as shown in FIG. 6 is incorporated in the control device, and the extraction amount control valve 117 adjusts the extraction amount corresponding to the change in the heat generation amount. In order to keep the pressure ratio 812 constant, control is performed so as to increase the extraction amount when the heat generation amount of the fuel is smaller than when it is large.
[0028]
For example, when C is the amount of heat generated (822), the amount of extraction is 832, when A is the amount of heat extracted (821) when the amount of heat is generated (831), and when B is the amount of heat generated (823), the amount of extraction is (833). To do.
[0029]
For example, specifically, in the gas turbine system diagram shown in FIG. 1, a fuel calorific value detector 130 is provided in the low calorie fuel supply line 107 in the vicinity of the control valve 108, and based on the detection signal of the detector 130. The amount of extraction is controlled by controlling the control valve 117 in the line 116. At this time, the pressure ratio of the gas turbine is always kept constant as indicated by 812 in FIG. As described above, the gas turbine can be operated in an optimum state by adjusting the extraction flow rate with respect to the heat generation amount and controlling it so as to move along the line 714 in FIG.
[0030]
In addition, you may consider the case where the flow volume distribution inside the combustor 104 is changed according to the calorific value. This changes the flow rate inside the combustor which is an element constituting the gas turbine. When the calorific value of the fuel decreases, the fuel gas flow rate increases so as to keep the load constant. However, in order to make the fuel-air ratio constant, the bypass flow rate is decreased to increase the air required for combustion. In this configuration, the amount of air passing through the combustor is kept constant, and only the flow distribution inside the combustor is changed. Therefore, if the amount of fuel gas increases, the flow rate flowing into the turbine increases accordingly, and the pressure ratio increases. To do. Accordingly, in this configuration, although there is no problem with a heat generation amount change of several percent, it is not possible to cope with a large change in which the heat generation amount becomes larger than 1/2. In FIG. 5, the bypass amount increases as the heat generation amount decreases, but the pressure increases as the fuel gas increases, resulting in a movement as indicated by a line 715.
[0031]
According to these embodiments, even when the low calorie gas is supplied, it is possible to suppress the combustion temperature from being lowered as compared with the normal fuel supply.
[0032]
In addition, since the fluctuation of the discharge pressure can be suppressed by adjusting the amount of extraction of the compressor discharge air, the operating state of the gas turbine can be optimized. In addition, the degree of freedom in driving can be increased.
[0033]
Extraction air can be used as a separate expander air source, and the operating freedom of the expander is not greatly affected by the operating conditions of the main body gas turbine, and the operating range with high thermal efficiency can be widened.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when a plurality of fuels of different calories are supplied to the combustor, a stable gas turbine can be easily operated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram showing a gas turbine according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a load-compressor discharge pressure relationship diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a load-compressor discharge pressure relationship diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a relationship diagram between an extraction flow rate and a compressor discharge pressure under a constant combustion temperature condition according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the heat generation amount of fuel gas and the extraction flow rate for keeping the compressor discharge pressure constant according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Air compressor, 102 ... Main body gas turbine, 103 ... Main body load (for example, generator), 104 ... Combustor, 105 ... Low calorie gas, 106 ... Primary boost low calorie gas, 107 ... Low calorie fuel supply line, 108 ... Low calorific gas flow control valve, 109 ... Liquid fuel supply line, 110 ... Liquid fuel flow control valve, 111 ... Atmosphere, 112 ... Exhaust, 113 ... Expander, 114, 115 ... Low calorie gas compressor for pressurization, 116 ... Extraction line, 117: Extraction flow rate control valve, 118: Expander exhaust.

Claims (5)

圧縮機と、
圧縮機から吐出された圧縮空気と、発熱量の異なる複数の燃料とが供給されて燃焼させる燃焼器と、
前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、を備えたガスタービンにおいて、
前記圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気の一部を系外に抽気する抽気系統と、
この抽気系統に設置される制御弁を設け、
前記燃焼器にて発熱量の低い燃料を使用する際には前記制御弁の開度を開いて、前記抽気手段から抽気される抽気量を増加して、燃焼器に供給される圧縮空気の圧力変動を抑制するよう制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
A compressor,
A combustor that is supplied with compressed air discharged from a compressor and a plurality of fuels with different calorific values to burn;
A turbine connected to the compressor via a shaft and supplied with a combustion gas from a combustor and driven by the turbine,
An extraction system for extracting a part of the compressed air supplied from the compressor to the combustor out of the system;
Provide a control valve installed in this extraction system,
When using fuel with a low calorific value in the combustor, the pressure of the compressed air supplied to the combustor is increased by opening the control valve and increasing the amount of air extracted from the extraction means. Control means for controlling to suppress fluctuations;
A gas turbine comprising:
圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気と燃料とが供給され燃焼させる燃焼器と、
前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、を備えたガスタービンにおいて、
前記燃焼器に第1の燃料供給手段から第1の燃料を供給する第1燃料供給経路と、
前記圧縮機の圧縮空気の一部を抽気する抽気系統と、前記抽気系統に設けられた制御弁と、前記抽気系統に連通し、この圧縮空気が供給されて駆動するエキスパンダと、
該エキスパンダと軸を介して連結し、第2の燃料供給手段から供給される前記第1の燃料より発熱量の低い第2の燃料を昇圧する第1の燃料圧縮機と、
前記タービンと軸を介して連結し、前記第1の燃料圧縮機から吐出された第2の燃料をさらに昇圧する第2の燃料圧縮機と、
前記第2の燃料圧縮機で昇圧された第2の燃料を燃焼器に供給される第2燃料供給経路とを備え、
前記燃焼器に供給する燃料を、前記第1の燃料又は第2の燃料の切り替えに応じて、
前記圧縮機から抽気されて、
前記エキスパンダに供給される圧縮空気量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
A compressor,
A combustor which is supplied with compressed air and fuel discharged from the compressor and burns;
A turbine connected to the compressor via a shaft and supplied with a combustion gas from a combustor and driven by the turbine,
A first fuel supply path for supplying the first fuel from the first fuel supply means to the combustor;
An extraction system for extracting a part of the compressed air of the compressor; a control valve provided in the extraction system; an expander that communicates with the extraction system and is driven by being supplied with the compressed air;
A first fuel compressor that is connected to the expander via a shaft and pressurizes a second fuel having a calorific value lower than that of the first fuel supplied from a second fuel supply means;
A second fuel compressor connected to the turbine via a shaft and further boosting the second fuel discharged from the first fuel compressor;
A second fuel supply path for supplying the second fuel boosted by the second fuel compressor to the combustor,
According to switching of the first fuel or the second fuel, the fuel to be supplied to the combustor
Extracted from the compressor,
Control means for controlling the amount of compressed air supplied to the expander;
A gas turbine comprising:
圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気と燃料とが供給され燃焼させる燃焼器と、
前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、を備えたガスタービンにおいて、
前記燃焼器に第1の燃料供給手段から第1の燃料を供給する第1燃料供給経路と、
前記圧縮機の圧縮空気の一部を抽気する抽気系統と、前記抽気系統に設けた制御弁と、前記抽気系統に連通して圧縮空気が供給されて駆動するエキスパンダと、
該エキスパンダと軸を介して連結し、第2の燃料供給手段から供給される前記第1の燃料より発熱量の低い第2の燃料を昇圧する第1の燃料圧縮機と、
前記タービンと軸を介して連結し、前記第1の燃料圧縮機から吐出された第2の燃料が供給されてさらに昇圧する第2の燃料圧縮機と、
前記第2の燃料圧縮機で昇圧された第2の燃料を燃焼器に供給される第2燃料供給経路とを備え、
前記燃焼器に供給する燃料を、前記第1の燃料から第2の燃料の切り替えた際に、
前記制御弁を開操作して前記抽気手段からの抽気量を増加して、前記燃焼器に供給される圧縮空気の圧力変動を抑制するよう制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
A compressor,
A combustor which is supplied with compressed air and fuel discharged from the compressor and burns;
A turbine connected to the compressor via a shaft and supplied with a combustion gas from a combustor and driven by the turbine,
A first fuel supply path for supplying the first fuel from the first fuel supply means to the combustor;
An extraction system for extracting a part of the compressed air of the compressor; a control valve provided in the extraction system; an expander that is driven by being supplied with compressed air in communication with the extraction system;
A first fuel compressor that is connected to the expander via a shaft and pressurizes a second fuel having a calorific value lower than that of the first fuel supplied from a second fuel supply means;
A second fuel compressor connected to the turbine via a shaft and supplied with the second fuel discharged from the first fuel compressor and further boosted;
A second fuel supply path for supplying the second fuel boosted by the second fuel compressor to the combustor,
When the fuel supplied to the combustor is switched from the first fuel to the second fuel,
Control means for controlling the pressure fluctuation of the compressed air supplied to the combustor to increase the amount of extraction from the extraction means by opening the control valve;
A gas turbine comprising:
圧縮機と、
圧縮機から吐出された圧縮空気と、発熱量の異なる複数の燃料とが供給され、燃焼させる燃焼器と、
前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、を備えたガスタービンにおいて、
前記圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気の一部を系外に抽気する抽気系統と、前記抽気系統に設けられた制御弁と、
燃焼器に供給する燃料の発熱量を検出する検出手段と、
該検出手段の信号に基づいて前記制御弁の開度を調節し、前記抽気手段からの抽気量を変化させ、燃焼器に供給される圧縮空気の圧力変動を抑制するように制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
A compressor,
A combustor that is supplied with compressed air discharged from a compressor and a plurality of fuels with different calorific values and burns;
A turbine connected to the compressor via a shaft and supplied with a combustion gas from a combustor and driven by the turbine,
An extraction system for extracting a part of the compressed air supplied from the compressor to the combustor out of the system, a control valve provided in the extraction system,
Detection means for detecting the calorific value of the fuel supplied to the combustor;
Control means for adjusting the opening degree of the control valve based on the signal of the detection means, changing the amount of extraction from the extraction means, and controlling the pressure fluctuation of the compressed air supplied to the combustor; ,
A gas turbine comprising:
圧縮機と、
圧縮機から吐出された圧縮空気と、発熱量の異なる複数の燃料とが供給されて燃焼させる燃焼器と、
前記圧縮機と軸を介して連結し、燃焼器からの燃焼ガスが供給され駆動されるタービンと、前記圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気の一部を系外に抽気する抽気系統と、を備えたガスタービンにおいて、
燃焼器に供給される燃料の発熱量が高い発熱量の燃料から低い発熱量の燃料に切り替えられた場合に、
前記抽気系統から系外に抽気量を増加して、燃焼器に供給される圧縮空気の圧力変動を抑制するように制御する、
ことを特徴とするガスタービンの制御方法。
A compressor,
A combustor that is supplied with compressed air discharged from a compressor and a plurality of fuels with different calorific values to burn;
A turbine connected to the compressor via a shaft and supplied with a combustion gas from a combustor and driven; and an extraction system for extracting a part of the compressed air supplied from the compressor to the combustor outside the system; In a gas turbine comprising
When the calorific value of the fuel supplied to the combustor is switched from high calorific fuel to low calorific fuel,
The amount of extraction is increased from the extraction system to the outside of the system, and control is performed so as to suppress the pressure fluctuation of the compressed air supplied to the combustor.
A control method for a gas turbine.
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