热电比可变型热电联产系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供热电比可变型热电联产系统，在天然气或轻油等普通燃料和气化气体的使用比例变化时，或气化气体燃料的组成变化时，可在确保燃气轮机燃烧器的燃烧稳定性的同时，将排出的NOx抑制为最少。热电比可变型热电联产系统具备：第一蒸汽系统，相对于燃烧器中的燃烧气体的流动将剩余蒸汽注入到火焰带的上游侧；第二蒸汽系统，相对于燃烧器中的燃烧气体的流动将从第一蒸汽系统分流的剩余蒸汽注入到火焰带的下游侧；第一蒸汽流量调节阀，控制第一蒸汽系统的蒸汽流量；第二蒸汽流量调节阀，控制第二蒸汽系统的蒸汽流量；控制器，根据气化气体和普通燃料的流量控制第一蒸汽流量调节阀，根据蒸汽消耗设备的蒸汽需求量控制第二蒸汽流量调节阀。
【专利说明】热电比可变型热电联产系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电比可变型热电联产系统。
【背景技术】
[0002]一种热电比可变型热电联产系统，提供热和电力，并且可以根据所要求的热和电力的需求比来使热电比变化，其作为能源损失小的高效率分散电源而受到期待。具有以下的发明，在这种热电比可变型热电联产系统中，为了防止NOx和未燃烧成份的增加，维持全负荷范围内的低NOx运行和高燃烧效率，具备2个对燃烧器进行蒸汽注入的系统，测量排气中的NOx浓度以及未燃烧成分浓度，根据该浓度来控制上述2个系统各自的水蒸气流量(例如，参照专利文献I)。
[0003]另一方面，可谋求在构成热电比可变型热电联产系统的燃气轮机所使用的燃料的多样化。例如，具有一种燃气轮机，其使用将作为丰富的能源资源的煤进行气化后的气体、或者使用将作为无碳能源资源的生物质进行气化后的气体。公开了一种发明，即在这样的燃气轮机中，为了谋求使煤气化后的气体燃烧的燃气轮机燃烧器的低NOx化，将在煤气化设备中分离生成的氮气喷射到燃烧器中(例如，参照专利文献2)。
[0004]在热电比可变型热电联产系统中，在使用煤气化气体或生物质气化气体等气化气体燃料时，气化气体与天然气和轻油这样的普通燃料相比，燃料发热量小，因此向有效抑制NOx的火焰带附近注入的蒸汽的需要流量相对减小。另外，当注入了与低NOx化所需要的蒸汽流量相比过多的蒸汽流量时，火焰可能会消失，因此与现有的使用普通燃料的情况相比，需要在狭小的范围内高精度地控制蒸汽流量。
[0005]上述专利文献I的基于排气组成进行的蒸汽量控制在排气组成检测时花费时间，从检测到控制之间产生应答延迟。因此，在专利文献I的技术中，当使用气化气体燃料时，担心蒸汽流量控制延迟，NOx排出量或未燃烧成分排出量的增加，进而火焰消失等情况。
[0006]另一方面，即使是使用专利文献2记载的气化气体的燃气轮机，在启动时和停止时，有时也使用天然气或轻油这样的普通燃料。由于气化气体含有氢气和一氧化碳(CO)，所以点火时担心爆炸，停止时担心一氧化碳中毒，为了防止这些情况，在启动时和停止时在燃料配管中用普通燃料来置换。
[0007]在这种将普通燃料和气化气体并用的燃气轮机中，产生在普通燃料和气化气体之间进行双向的燃料切换的情况，或以一定比例将气化气体和普通燃料进行混合来燃烧的情况。将这种燃气轮机和上述专利文献I的基于排气组成进行的蒸汽量控制进行组合时，由于燃料的发热量和流量发生变化，所以为了低NOx化所需的蒸汽流量也发生变化。特别是燃料切换通常在数秒到数十秒的时间完成，因此通过检测具有相同程度的时间延迟的排气成分，来控制蒸汽流量，可能会导致控制延迟NOx排出量增加或火焰消失。
[0008]另外，气化气体与普通燃料相比组成容易发生变化，发热量和所需的燃料流量进行变化的幅度变得更大。因此，不仅是混合燃烧比例，还需要与气化气体自身的组成变化对应的蒸汽流量控制。
[0009]因此，当蒸汽的消耗量小时，在兼有NOx排出量控制，将剩余蒸汽注入到燃烧器中来增加发电量的热电比可变型热电联产系统中，谋求以下对策，即主要使用煤气化气体或生物质气化气体等气化气体燃料，将天然气和轻油这样的普通燃料用于启动、停止用和助燃用时，根据燃料消耗量的变化、蒸汽使用量的变化、气化气体比例的变化、气化气体的组成的变化来控制注入到燃烧器的蒸汽量。
[0010]专利文献1:日本特许第4386195号公报
[0011]专利文献2:日本特开2010-230287号公报
【发明内容】
[0012]本发明是根据以上问题而产生的。其目的在于提供一种热电比可变型热电联产系统，即使在天然气和轻油这样的普通燃料和气化气体的使用比例发生变化时，或者气化气体燃料自身的组成发生变化时，或者蒸汽使用量发生变化时，也可以确保燃气轮机燃烧器的燃烧稳定性，且将排出的NOx抑制为最少。
[0013]为了解决上述问题，采用例如权利要求书所记载的结构。本申请包含多个解决上述问题的手段，举其中一个例子，是一种热电比可变型热电联产系统，其具备:燃气轮机，其把固体或者液体的燃料源气化后的气化气体与燃气轮机启动时、停止时或者所述气化气体的供给量小时，作为替代燃料或者辅助燃料的天然气、石油气或轻油这样的普通燃料一起使用；燃烧器，其使所述气化气体以及所述普通燃料燃烧产生燃烧气体；余热锅炉，其使用所述燃气轮机的排气来产生蒸汽；处理系统，其将所述产生的蒸汽提供给蒸汽消耗设备；以及蒸汽系统，其将剩余的蒸汽注入到所述燃气轮机，所述热电比可变型热电联产系统具备:第一蒸汽系统，其相对于所述燃烧器中的所述燃烧气体的流动将所述剩余蒸汽注入到火焰带的上游侧；第二蒸汽系统，其相对于所述燃烧器中的所述燃烧气体的流动将从所述第一蒸汽系统分流出来的所述剩余蒸汽注入到火焰带的下游侧；第一蒸汽流量调节阀，其设置在所述第一蒸汽系统中，能够控制所述第一蒸汽系统的蒸汽流量；第二蒸汽流量调节阀，其设置在所述第二蒸汽系统中，能够控制所述第二蒸汽系统的蒸汽流量；气化气体流量检测单元，其检测所述气化气体的流量；普通燃料流量检测单元，其检测所述普通燃料的流量；蒸汽需求量检测单元，其检测在所述蒸汽消耗设备需要的蒸汽需求量；以及控制器，其取得所述气化气体流量检测单元检测出的所述气化气体的流量和所述普通燃料流量检测单元检测出的所述普通燃料的流量，根据这些信号来控制所述第一蒸汽流量调节阀，取得所述蒸汽需求量检测单元检测出的所述蒸汽消耗设备所需要的蒸汽需求量，根据该信号来控制所述第二蒸汽流量调节阀。
[0014]根据本发明，即使在天然气和轻油这样的普通燃料和气化气体的使用比例发生变化时，或者气化气体燃料自身的组成发生变化时，或者蒸汽使用量发生变化时，也可以确保燃气轮机燃烧器的燃烧稳定性，且将排出的NOx抑制为最少。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是表不本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的结构一例的系统流程图。
[0016]图2是表不本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽喷射位置不同的其他例子的系统流程图。
[0017]图3是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽喷射位置不同的另外其他例子的系统流程图。
[0018]图4是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的燃料切换方法的一例的特性图。
[0019]图5是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的普通燃料和气化气体的混合燃烧方法的一例的特性图。
[0020]图6是表示构成本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的控制器的结构一例的框图。
[0021]图7是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽流量控制的一例的特性图。
[0022]图8是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式的结构的一例的系统流程图。
[0023]符号说明
[0024]I 压缩机
[0025]2 燃烧器
[0026]3 涡轮机
[0027]4 燃气轮机
[0028]5 余热锅炉
[0029]6 蒸汽消耗设备
[0030]7 燃烧器外壳
[0031]8 燃烧器罩
[0032]9 燃料喷嘴
[0033]10 燃烧器衬套
[0034]11 燃烧器过渡通道
[0035]12 蒸汽压力计
[0036]13 压力比检测单元
[0037]14 温度计
[0038]15 气化气体流量计
[0039]16 普通燃料流量计
[0040]17 发热量计
[0041]20 发电机
[0042]27 再生器
[0043]100空气(大气压)
[0044]101压缩空气
[0045]102衬套冷却空气
[0046]103稀释空气
[0047]104燃烧空气
[0048]105燃烧气体
[0049]106燃气轮机排气
[0050]107排气气体
[0051]200燃料系统
[0052]201气化气体燃料系统
[0053]202普通燃料系统
[0054]211气化气体流量调节阀
[0055]212普通燃料流量调节阀
[0056]300蒸汽系统
[0057]301第I注入蒸汽系统
[0058]302第2注入蒸汽系统
[0059]303处理蒸汽系统
[0060]304蒸汽排放系统
[0061]311第I蒸汽流量调节阀
[0062]312第2蒸汽流量调节阀
[0063]313处理蒸汽流量调节阀
[0064]314蒸汽排放阀
[0065]321第 I 蒸汽
[0066]322第 2 蒸汽
[0067]400控制器
[0068]401除法器(混合燃烧比例)
[0069]402第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器
[0070]403第I蒸汽流量调节阀开度指令运算器
[0071]404第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器
[0072]405第2蒸汽流量调节阀开度指令运算器
【具体实施方式】
[0073]以下使用附图对本发明的热电比可变型热电联产系统的实施方式进行说明。
[0074](实施例1)
[0075]图1是表不本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的结构一例的系统流程图。如图1所示，热电比可变型热电联产系统主要由燃气轮机4、余热锅炉5、发电机20、蒸汽供给系统300构成。
[0076]燃气轮机4具备压缩机1，其压缩空气100生成高压的燃烧用空气；燃烧器2，其使从该压缩机I导入的压缩空气101和来自燃料系统200的燃料燃烧来生成燃烧气体105 ；以及涡轮机3，其导入所述燃烧器2生成的燃烧气体105。压缩机I的旋转轴和涡轮机3的旋转轴通过轴21连接。另外，通过燃气轮机4驱动进行发电的发电机20的旋转轴也通过轴21与压缩机I的旋转轴和涡轮机3的旋转轴连接。
[0077]燃烧器2具备形成其侧面的燃烧器外壳7、设置在燃烧器外壳7的端部的燃烧器罩8、设置在上游端的燃烧器罩8的内部中央的燃料喷嘴9、在燃料喷嘴9的下游，将未燃烧的空气和已经燃烧的燃烧气体隔开的大概圆筒状的燃烧器衬套10、以及与燃烧器衬套10的下游侧连接的燃烧器过渡通道11。
[0078]从压缩机I排出的高压的压缩空气101被注入到燃烧器外壳7中。在燃烧器外壳7中，压缩空气101通过燃烧器衬套10的外侧的大概环状的空间流向燃烧器头部，途中用于燃烧器衬套10的对流冷却。
[0079]图1所示的压缩空气101中，一部分空气作为衬套冷却空气102从设置在燃烧器衬套10中的冷却孔流入燃烧器衬套10内，用于气膜冷却。另外，另一部分空气作为稀释空气103，从设置在燃烧器衬套10中的稀释孔流入燃烧器衬套10内，与后述的燃烧气体105混合。
[0080]并且，剩余的空气作为燃烧空气104，从设置在燃烧器衬套10的上游部的燃烧孔流入燃烧器衬套10内，与从燃料喷嘴9喷出的燃料一起用于燃烧，成为高温的燃烧气体105。该燃烧气体105进而与衬套冷却空气102以及稀释空气103混合后，被送入涡轮机3。从涡轮机3出来的低压燃气轮机排气106通过余热锅炉5进行热回收后，作为废气107被排入大气。
[0081]这里，在压缩机I中设置检测吸入空气压力和排出空气压力的压差(压力比)的压力检测单元13。另外，在涡轮机3和余热锅炉5之间设置检测燃气轮机排气106的温度的温度计14。将压力比检测单元13和温度计14检测出的各种信号输入到后述的控制器400中。
[0082]燃气轮机的燃料系统200具备气化气体燃料系统201和普通燃料系统202。气化气体燃料系统201的气化气体燃料是在未图示的气化炉中，将煤或生物质作为原料使其气化而生成的气体燃料，除了甲烷、乙烷、丙烷等碳化氢气体燃料之外，还包括氢和一氧化碳，另外还包括二氧化碳和氮，根据情况还包括水分等不具有发热量的成分。
[0083]一同设置提供天然气或石油气或者轻油等普通燃料的普通燃料系统202和气化气体燃料系统201。这是由于气化气体包含氢和一氧化碳(CO)，担心点火时爆炸，停止时引起一氧化碳中毒，为了防止这些情况，希望在启动时和停止时用普通燃料来置换燃料配管来进行运转。
[0084]在气化气体燃料系统201中设置气化气体流量调节阀211，在普通燃料系统202中设置普通燃料流量调节阀212，可以通过调整各自的燃料流量来调整燃气轮机4的发电输出。
[0085]另外，气化气体燃料系统201中设置作为燃料流量检测单元的气化气体流量计15和作为检测气化气体的发热量的发热量检测单元的发热量计17。另外，在普通燃料系统202中设置作为燃料流量检测单元的普通燃料流量计16。把这些检测单元检测出的各种信号输入到后述的控制器400中。
[0086]这里，作为燃料流量检测单元，例如可以使用流量调节阀的开度和针对流量调节阀的开度指令等来代替本实施例所述的燃料流量计。如果燃料的压力、温度大致一定，则燃料流量成为阀的开度的函数。另一方面，在像气化气体燃料那样压力、温度发生变化的情况下，当检测燃料的压力、温度用于流量的计算，可以进行精度更高的检测。
[0087]作为发热量检测单元，考虑例如像气相色谱法那样，通过能够测量的装置来检测气体的成分比的方法。由于气相色谱法的分析需要数分钟左右的时间，因此适合燃料发热量的时间变化小的情况。
[0088]更简单的是可以检测与气化气体的发热量变化的相关性高的特定成分的浓度变化。例如考虑连续测量氢或甲烷等单成分的方法，或者通过露点计来连续测量气体中的水分的方法。根据该方法，可以更简单地且连续地进行测量，即使在燃料发热量急剧变化时也可以进行蒸汽控制。另外，同样使用2台测量器，连续测量2个成分，如果从该结果推定燃料发热量，会成为比通过单成分进行推定还要高精度的发热量检测单元，所以可以谋求火焰的稳定性和低NOx化。
[0089]接着，说明蒸汽系统300。
[0090]余热锅炉5由给水加热器24、锅炉25和蒸汽过热器26构成，经过蒸汽加热器26产生的蒸汽主要由蒸汽消耗设备6消耗。作为蒸汽消耗设备，考虑工厂等需要热源的设备。在用于将蒸汽提供给蒸汽消耗设备6的处理蒸汽系统303的配管中设置处理蒸汽流量调节阀313，控制送气蒸汽量。在从余热锅炉5开始的主配管中设置用于检测由余热锅炉5产生的蒸汽的压力的蒸汽压力计12。将蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力信号输入到后述的控制器400。
[0091]另外，为了根据需要将余热锅炉5所产生的蒸汽排放到大气中，设置了蒸汽排放系统304。在蒸汽排放系统304的配管中设置蒸汽排放阀314，控制排放蒸汽量。
[0092]另一方面，当余热锅炉5所产生的蒸汽量超过蒸汽消耗设备6所需要的蒸汽量时，将剩余的蒸汽注入到燃烧器2来增加发电机20的输出，使热电比可变的是热电比可变型热电联产系统。
[0093]在本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式中，分别在第I注入蒸汽系统301和第2注入蒸汽系统302的两个系统中设置该注入蒸汽系统。分别在第I注入蒸汽系统301中设置第I蒸汽流量调节阀311，在第2注入蒸汽系统302中设置第2蒸汽流量调节阀312，从而可以调节各个蒸汽系统的蒸汽流量。从后述的控制器400分别向第I蒸汽流量调节阀311和第2蒸汽流量调节阀312输出开度指令。
[0094]接着，使用图1至图3来说明注入蒸汽系统。图2是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽喷射位置不同的其他例子的系统流程图。图3是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽喷射位置不同的另外其他例子的系统流程图。在图2以及图3中，与图1所示的符号为相同符号的是相同的部分，所以省略其详细的说明。
[0095]首先，说明第I注入蒸汽系统301的喷射位置。
[0096]如图1所示，第I注入蒸汽系统301相对于燃烧气体105的流动在火焰带的上游侦U，在喷射的蒸汽的大部分与燃烧空气或者燃料进行混合的位置注入第I蒸汽321。更具体地说，如图1的a所示，在燃烧器衬套10的外侧并且相对于燃烧气体的流动在上游侧，向燃烧器外壳7、燃烧器罩8和燃烧器衬套10包围的空间进行喷射。
[0097]这个位置的燃烧空气104是压缩空气101分流为衬套冷却空气102和稀释空气103后的空气，大部分消耗于与燃料的燃烧，因此在该位置与燃烧空气104混合后的第I蒸汽321使火焰带的温度下降的效果大，对低NOx化的贡献程度大。
[0098]作为第I蒸汽321的喷射位置的其他的实施例，如图2的b所示，也可以是燃料喷嘴9的外围。或者，作为第I蒸汽321的喷射位置的另一个实施例，如图3的c所示，可以向燃烧空气104流动的喷射孔喷射。无论是上述3个例子的哪一位置，被喷射的蒸汽在火焰带的上游侧与燃烧空气104或者燃料混合，可以降低NOx的排放量。
[0099]在向图1的a部进行蒸汽喷射时，可以缩短向燃烧器2内突出的蒸汽喷嘴的长度，所以可以确保蒸汽喷嘴的可靠性，进而减小扰乱燃烧空气104的流动的影响，从而降低压力损失。
[0100]另外，在对图2的b部进行蒸汽喷射时，可以使蒸汽喷嘴沿燃料喷嘴9的结构，或者成为一体，因此和图1的情况相同，可以缩短向燃烧器2内突出的蒸汽喷嘴的长度。这样，可以确保蒸汽喷嘴的可靠性，进而减小扰乱燃烧空气104的流动的影响，从而降低压力损失。另外，可以将蒸汽喷射到燃料的附近，所以可促进与燃料的混合，低NOx的效果变大。
[0101]并且，在对图3的c部进行蒸汽喷射时，可以使蒸汽喷嘴沿燃烧器衬套10的结构，或者可成为一体，与上述情况相同，可以缩短向燃烧器2内突出的蒸汽喷嘴的长度。这样，具有可以确保蒸汽喷嘴的可靠性的优点。另外，可以直接向燃料孔喷射蒸汽，因此促进与燃烧空气104的混合，低NOx的效果变大。
[0102]接着，说明第2注入蒸汽系统302的喷射位置。
[0103]如图1所示，第2注入蒸汽系统302对于燃烧气体105的流动在火焰带的下游侧，在喷射的蒸汽的大部分与燃烧气体105燃烧后混合的位置注入第2蒸汽322。更具体地，如图1的d所示，喷射到对于燃烧气体105的流动在燃烧器衬套10的下游侧，且燃烧器衬套10的内部。
[0104]在该位置，喷射的蒸汽和燃烧后的燃烧气体105或稀释空气103混合，因此对火焰带没有直接的影响。因此不影响燃烧的稳定性，从而可以向燃气轮机燃烧器2喷射剩余蒸汽来使输出增加。另外，该位置是涡轮机3的上游侧，因此可以通过涡轮机3将蒸汽具有的能量有效地变换为动力。此外，在燃烧气体105向涡轮机3流入时，与蒸汽混合而温度降低，所以如果是相同的输出，则可以降低燃烧器过渡通道11或涡轮机3的金属温度来提高可靠性和寿命。另外，可以将燃料流量增加蒸汽混合的量，因此如果是相同涡轮机流入温度，可以提高蒸汽混合部分的输出和效率。
[0105]作为第2蒸汽322的喷射位置的其他的实施例，如图2的e所示，也可以是燃烧器过渡通道11的内部。或者进一步作为其他的实施例，如图3的f所示，也可以向具备燃烧器过渡通道11的外壳7内部的空间进行喷射。无论是哪一位置，喷射的蒸汽的大部分在火焰带的下游侧与燃烧气体105燃烧后进行混合，不影响燃烧的稳定性。
[0106]对图1的d部进行蒸汽喷射时，可以穿过燃烧器外壳7来配置蒸汽喷射系统，因此与图2以及图3那样配置在燃烧器过渡通道11侧的情况相比，具有容易组合分解的优点。并且，由于从蒸汽喷射位置到涡轮机入口之间的距离变长，所以进行第2蒸汽322和燃烧气体105的混合，对涡轮机3的热负荷变小，从而提高涡轮机3的可靠性和寿命。
[0107]对图2的e部进行蒸汽喷射时，蒸汽喷射位置离火焰远，因此具有可以将对燃烧稳定性的影响控制为最小的优点。
[0108]对图3的d部进行蒸汽喷射时，可以缩短向燃气轮机4内突出的蒸汽喷嘴的长度，所以除了可以确保蒸汽喷嘴的可靠性，还有减小扰乱压缩空气101的流动的影响，降低压力损失的优点。另外，蒸汽和压缩空气101进行混合的距离变长，所以可减少蒸汽喷射部的热应力和涡轮机入口的温度偏差，提高燃气轮机4整体的可靠性。
[0109]接着，利用图4以及图5来说明本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的燃气轮机的运行方法。图4是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的燃料切换方法的一例的特性图，图5是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的普通燃料和气化气体的混合燃烧方法的一例的特性图。
[0110]首先，燃气轮机4启动时，仅使用图1所示的普通燃料系统202，对普通燃料进行点火来启动燃气轮机4。这样，可以防止气化气体中包含的例如氢气引起的爆炸起火。另外，燃气轮机4停止时，仅使用普通燃料系统202，在降低燃气轮机4的输出以及转速之后停止。这样，可以防止气化气体中包含的例如一氧化碳在燃气轮机4停止后滞留在燃气轮机内4内的情况。结果，可以防止操作人员等一氧化碳中毒。
[0111]利用图4来说明燃气轮机4启动后的发电量增加方法。图4中横轴表示发电量，纵轴表示作为气化气体燃料以及普通燃料的流量的燃料流量。如图4所示，在发电量小的范围仅增减启动所使用的普通燃料来应对发电量的增减要求。当发电量达到图4的“燃料切换开始”所示的值，并进一步增加时，开始从普通燃料向气化气体的燃料切换。在发电量达到“燃料切换结束”所示的值期间，普通燃料的流量以一定的比例下降，并且气化气体的流量也以一定的比例增加。并且当发电量达到“燃料切换结束”所示的值时，全部燃料为气化气体。在发电量比“燃料切换结束”所示的值大的发电量范围中，仅增减气化气体燃料来应对发电量的增减要求。
[0112]接着，利用图5来说明普通燃料和气化气体的混合燃烧方法。图5中横轴表示发电量，纵轴表示作为气化气体燃料以及普通燃料的流量的燃料流量。在进行图5所示的混合燃烧方法时，例如在图4所示的燃料切换结束后的气化气体专烧领域，担心气化气体的燃料流量和发热量不足，在这种的情况下，剩余一部分普通燃料与气化气体进行混合燃烧。此时，燃料的发热量和流量根据气化气体和普通燃料的混合燃烧比例而发生变化。
[0113]用温度计14检测图1所示的燃气轮机排气106的温度，调整燃料流量以使燃气轮机排气106的温度不超过预先决定的温度(排气温度控制)，由此可以控制燃料流量的上限。
[0114]接着，说明本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽流量的控制。本实施方式中，蒸汽流量的控制具备热优先的蒸汽流量控制和电力优先的蒸汽流量控制。
[0115]首先说明热优先的蒸汽流量控制。在图1所示的本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式中，当发电机20根据电力的要求指令值增加发电量时，提高气化气体流量调节阀211的开度来增加燃料流量时，来自余热锅炉5的蒸汽量变多，蒸汽压力计21检测出的蒸汽压力变大。当该蒸汽压力超过了预定的阈值时，对处理蒸汽流量调节阀313进行开放操作开始对蒸汽消耗设备6提供蒸汽。当开始提供蒸汽时，蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力下降。
[0116]为了将该蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力维持在预定的值，需要增大燃气轮机负荷指令值或者转速指令值，进一步提高气化气体流量调节阀211的开度。这样，将使蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力恒定作为控制目标，控制燃料流量的是热优先的蒸汽流量控制。在热优先的蒸汽流量控制中，发电机20输出的发电量根据蒸汽压力的变动而发生变化。因此，对于与电力要求指令值的差分，例如需要根据电力系统的提供(所谓的买电)等来进行调节。
[0117]另一方面，例如使发电机20不与电力系统连接，与在热电比可变型热电联产系统中产生的热相比优先控制电力的情况下，适用电力优先的蒸汽流量控制。在图1所示的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式中，在发电机20根据电力的要求指令值增加发电量的情况下，当提高气化气体流量调节阀211的开度燃料流量增加时，来自余热锅炉5的蒸汽量变多，蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力也变大。
[0118]当蒸汽压力变高时，在蒸汽消耗设备6中可以使用的最大蒸汽量也变大。产生蒸汽量增加，蒸汽消耗设备6中的蒸汽消耗量减小，产生剩余蒸汽，当蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力进一步升高时，首先打开第I注入蒸汽系统301的第I蒸汽流量调节阀311开始第I蒸汽321的蒸汽注入。第I蒸汽流量调节阀311的控制为例如控制开度以便将蒸汽压力维持为大体恒定。
[0119]第I注入蒸汽系统301的蒸汽喷射位置如图1的a所示，在燃烧器2的上游端，喷射的蒸汽与燃烧空气104混合流入燃烧器衬套10内，与从燃料喷嘴9喷射的燃料进行燃烧。此时，燃烧空气104的热容量增加蒸汽混合的量，因此火焰温度下降NOx生成量减少。
[0120]接着，利用图6以及图7来说明本实施方式的进行蒸汽流量控制的控制器以及其动作。图6是表示构成本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的控制器的结构一例的框图，图7是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式的蒸汽流量控制的一例的特性图。在图6以及图7中，与图1至图5所示的符号相同的符号的部分是相同的部分，所以省略其详细的说明。
[0121]图6所示的控制器400具备除法器401、第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402、第I蒸汽流量调节阀开度指令运算器403、第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器404和第2蒸汽流量调节阀开度指令运算器405。另外，向控制器400输入气化气体流量计15检测出的气化气体的流量信号、普通燃料流量计16检测出的普通燃料的流量信号、发热量计17检测出的气化气体的发热量信号、蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力信号、以及压力比检测单元13检测出的吸入空气压力和排出空气压力的压差(压力比)的信号。另外，从控制器400分别对第I蒸汽流量调节阀311输出开度指令411，对第2蒸汽流量调节阀312输出开度指令 412。
[0122]除法器401输入气化气体的流量信号和普通燃料的流量信号，运算作为气化气体和普通燃料的流量比的混合燃烧比例。进行运算后的混合燃烧比例的信号被输入到第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402中。
[0123]第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402输入气化气体的流量信号和普通燃料的流量信号和气化气体的发热量信号以及作为除法器401的输出的混合燃烧比例的信号，根据这4个信号来运算第I蒸汽流量调节阀311的最大开度。更具体地说，燃料的流量越大，气化气体的混合燃烧比例越小，另外，气化气体的发热量越大，进行增大最大开度的运算。将运算出的最大开度信号406输入到第I蒸汽流量调节阀开度指令运算器403中。
[0124]第I蒸汽流量调节阀开度指令运算器403输入来自第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402的最大开度信号406和蒸汽压力信号，运算第I蒸汽流量调节阀的开度指令，作为开度指令411输出给第I蒸汽流量调节阀311。
[0125]第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器404输入吸入空气压力和排出空气压力的压差(压力比)的信号，根据该压力比的信号来运算第2蒸汽流量调节阀312的最大开度。更具体地说，压力比越大，进行减小最大开度的运算。把运算出的最大开度信号407输入到第2蒸汽流量调节阀开度指令运算器405中。
[0126]第2蒸汽流量调节阀开度指令运算器405输入来自第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器404的最大开度信号407和蒸汽压力信号，运算第2蒸汽流量调节阀的开度指令，作为开度指令412输出给第2蒸汽流量调节阀312。
[0127]接着，利用图7来说明控制器的动作。图7是表示蒸汽流量控制的一例的特性图，表示蒸汽流量控制的动作的一例。
[0128]图7中，横轴表示蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力的信号，纵轴的(A)?(C)从上开始顺序地表示第I蒸汽流量调节阀311的开度、第2蒸汽流量调节阀312的开度、蒸汽排放阀314的开度。另外，蒸汽压力Pl表示开始注入第I蒸汽321的压力，蒸汽压力P2表示开始注入第2蒸汽322的压力，蒸汽压力P3表示开始蒸汽排放的压力。
[0129]在电力优先的蒸汽流量控制中，当发电机20根据电力的要求指令值来增加发电量，在蒸汽消耗设备6使用来自余热锅炉5的蒸汽的情况下，产生的蒸汽量增加，蒸汽消耗设备6的蒸汽消耗量减少，从而产生剩余蒸汽，当蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力超过预先设定的设定压力Pl时，如图7 (A)所示，第I蒸汽流量调节阀311进行打开动作，开始注入第I蒸汽321。对第I蒸汽流量调节阀311进行开度控制，例如将蒸汽压力维持为大体恒定。另外，如图6说明的那样，在控制器400的第I蒸汽流量调节阀开度指令运算器403中运算出的第I蒸汽流量调节阀的开度指令411被输出到第I蒸汽流量调节阀311，其变化如大体如图7的(A)所示。
[0130]接着，说明第I注入蒸汽系统301的第I蒸汽流量调节阀311的开度达到上限后的控制。在第I蒸汽流量调节阀311的开度达到上限后电力要求指令值变大的情况下，在蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力超过预先设定的设定压力P2时，如图7 (B)所示，第2蒸汽流量调节阀312进行打开动作开始注入第2蒸汽322。对第2蒸汽流量调节阀312进行开度控制，例如将蒸汽压力维持为大体恒定。另外，如图6说明的那样，在控制器400的第二蒸汽流量调节阀开度指令运算器405中运算出的第2蒸汽流量调节阀的开度指令412被输出到第2蒸汽流量调节阀312，其变化大体如图7 (B)所示。
[0131]之后，当电力要求指令值进一步变大，蒸汽压力计12检测出的蒸汽压力超过预先设定的设定压力P3时，如图7 (C)所示，打开图1的蒸汽排放阀314，将蒸汽导入排气塔，从而可以调节蒸汽压力。其变化大体如图7 (C)所示。
[0132]如上所述，在本实施方式中，无论是在蒸汽消耗设备6所需的蒸汽量发生变化的情况，还是使注入到燃气轮机4的蒸汽量变化来进行热电比可变运用的情况，都可以维持稳定的燃烧将NOx排量控制到最小。
[0133]接着，说明气化气体和普通燃料的流量比即混合燃烧比例发生变化的情况。
[0134]例如，当气化气体的混合燃烧比例变小时，混合后的燃料的发热量增加。因此为了将燃气轮机4的发电机20的输出或余热锅炉5的蒸汽压力保持恒定，需要减少燃料流量，与此相伴第I蒸汽321的注入量也减少。此时，与使用普通燃料时燃料的发热量恒定仅流量减少的情况不同，由于蒸汽注入量减少火焰温度上升，火焰稳定性提高，但是NOx的产生量可能增加。
[0135]本实施方式中，通过图6的除法器401来检测气化气体的混合燃烧比例，通过第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402来进行使最大开度变大的运算，因此蒸汽注入量增力口。结果，可以维持低NOx性能。另外，当吸入空气压力和排出空气压力的压差(压力比)的测量信号比预定的值大时，通过控制器400的第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器404进行使最大开度变小的运算，所以第2蒸汽流量调节阀312的开度变小，能够将压力比保持在上限。
[0136]相反，当气化气体的混合燃烧比例变大时，为了将燃气轮机4的发电机20的输出或余热锅炉5的蒸汽压力保持恒定，需要增大燃料流量。与此相伴，使第I蒸汽321的注入量也增加，但是在控制器400中，进行与上述相同的基于混合燃烧比例的控制，因此可以抑制蒸汽注入量的增加，从而维持燃烧稳定性。
[0137]接着，说明气化气体的发热量发生变化的情况。
[0138]例如，如果气化气体的发热量变小，为了将燃气轮机4的发电机20的输出或者余热锅炉5的蒸汽压力保持恒定，需要增加燃料流量，与此相伴，第I蒸汽321的注入量也增力口。这时，与使用普通燃料时燃料的发热量恒定仅流量增加的情况不同，由于蒸汽注入量的增加火焰温度下降，对低NOx化有贡献，但燃烧稳定性可能降低。
[0139]本实施方式中，如图6所示，通过输入发热量计17检测出的气化气体的发热量信号的第I蒸汽流量调节阀最大开度运算器402，进行减小最大开度的运算，抑制蒸汽注入量。结果可以维持稳定燃烧状态。
[0140]相反，当气化气体的发热量变大时，为了将燃气轮机4的发电机20的输出或余热锅炉5的蒸汽压力保持恒定，需要减少燃料流量。与此相伴，使第I蒸汽321的注入量也减少，但是在控制器400中，进行与上述相同的基于发热量的控制，因此可以抑制蒸汽注入量的减少，从而维持低NOx燃烧状态。另外，如上所述，当吸入空气压力和排出空气压力的压差(压力比)的测量信号比预定的值大时，通过控制器400的第2蒸汽流量调节阀最大开度运算器404来进行减小最大开度的运算，所以第2蒸汽流量调节阀312的开度变小，能够将压力比保持在上限。
[0141]根据上述本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式，即使在天然气和轻油这样的普通燃料和气化气体的使用比例发生变化时，或者在气化气体燃料自身的组成发生变化时，或者在蒸汽使用量发生变化时，也可以在确保燃气轮机燃烧器2的燃烧稳定性的同时，将排出的NOx抑制为最少。
[0142]另外，根据上述本发明的热电比可变型热电联产系统的第一实施方式，当蒸汽消耗量小时，控制NOx排放量，并将剩余蒸汽注入到燃烧器2来增加发电量，在这样的热电比可变型热电联产系统中，使用煤气化气体和生物质气化气体等气化气体燃料，并且在启动、停止和助燃时使用天然气、轻油那样的普通燃料的情况下，即使在产生燃料消耗量的变化、蒸汽使用量的变化、气化气体比例的变化以及气化气体的组成的变化时，都可以控制对燃烧器2的注入蒸汽量，在维持稳定的燃烧的同时将NOx排放量抑制为最小限度。
[0143](实施例2)
[0144]以下使用附图来说明本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式。图8是表示本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式的结构的一例的系统流程图。图8中，与图1至图7所示的符号相同的符号的部分是相同的部分，所以省略其详细的说明。
[0145]图8所示的本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式由与第一实施方式大体相同的设备构成，但是以下结构不同。本实施方式中，在余热锅炉5的上游设置将从涡轮机3出来的低压的燃气轮机排气106作为热源的再生器27。在压缩机I进行压缩后的压缩空气101被抽到燃气轮机4外之后，流入再生器27，与燃气轮机排气106进行热交换成为高温空气108。在再生器27中，通过利用燃气轮机排气106的排热来加热压缩空气101，可以节约燃烧器2所需的燃料的流量谋求高效化。
[0146]另外，本实施方式中，来自第2注入蒸汽系统302的蒸汽经由第2蒸汽流量调节阀312在再生器27的上游侧(图8的g位置)注入到压缩空气101中。
[0147]在再生器27进行加热后的高温空气108流入燃烧器外壳7内，与第I实施方式相同，作为衬套冷却空气102、稀释空气103、燃烧空气104使用。这里，高温空气108的大部分作为衬套冷却空气102以及稀释空气103，不流入火焰带而与燃烧后的燃烧气体105合流。因此，与上述第I实施方式相同，可以不损害火焰的稳定性地将蒸汽注入到燃气轮机4中。
[0148]根据上述本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式，可以得到与上述第一实施方式相同的效果。
[0149]另外，根据上述本发明的热电比可变型热电联产系统的第二实施方式，不只是蒸汽，压缩空气101也可以回收燃气轮机排气106的排热，所以适合于最大蒸汽产生量少，或者蒸汽消耗设备6的要求蒸汽量少，电力需求量大的系统，即热电比小的系统。
【权利要求】
1.一种热电比可变型热电联产系统，具备:燃气轮机，其把固体或者液体的燃料源气化后的气化气体与燃气轮机启动时、停止时或者所述气化气体的供给量小时作为替代燃料或者辅助燃料的天然气、石油气或轻油这样的普通燃料一起使用；燃烧器，其使所述气化气体以及所述普通燃料燃烧产生燃烧气体；余热锅炉，其使用所述燃气轮机的排气来产生蒸汽；处理系统，其将所述产生的蒸汽提供给蒸汽消耗设备；以及蒸汽系统，其将剩余的蒸汽注入到所述燃气轮机， 所述热电比可变型热电联产系统的特征在于，具备: 第一蒸汽系统，其相对于所述燃烧器中的所述燃烧气体的流动，将所述剩余的蒸汽注入到火焰带的上游侧； 第二蒸汽系统，其相对于所述燃烧器中的所述燃烧气体的流动，将从所述第一蒸汽系统分流的所述剩余的蒸汽注入到火焰带的下游侧； 第一蒸汽流量调节阀，其设置在所述第一蒸汽系统中，能够控制所述第一蒸汽系统的蒸汽流量； 第二蒸汽流量调节阀，其设置在所述第二蒸汽系统中，能够控制所述第二蒸汽系统的蒸汽流量； 气化气体流量检测单元，其检测所述气化气体的流量； 普通燃料流量检测单元，其检测所述普通燃料的流量； 蒸汽需求量检测单元，其检测所述蒸汽消耗设备需要的蒸汽需求量；以及控制器，其取得所述气化气体流量检测单元检测出的所述气化气体的流量和所述普通燃料流量检测单元检测出的所述普通燃料的流量，根据这些信号来控制所述第一蒸汽流量调节阀，取得所述蒸汽需求量检测单元检测出的所述蒸汽消耗设备需要的蒸汽需求量，根据该信号来控制所述第二蒸汽流量调节阀。
2.根据权利要求1所述的热电比可变型热电联产系统，其特征在于， 所述第I蒸汽系统向所述燃烧器注入所述剩余的蒸汽的部位是喷射的蒸汽的大部分相对于所述燃烧气体的流动在火焰带的上游侧与燃烧空气或者燃料进行混合的位置。
3.根据权利要求1所述的热电比可变型热电联产系统，其特征在于， 所述第2蒸汽系统向所述燃烧器注入所述剩余的蒸汽的部位是喷射的蒸汽的大部分相对于所述燃烧气体的流动在火焰带的下游侧与所述燃烧气体燃烧后进行混合的位置。
4.根据权利要求1所述的热电比可变型热电联产系统，其特征在于， 所述蒸汽需求量检测单元是蒸汽压力计。
5.根据权利要求1所述的热电比可变型热电联产系统，其特征在于， 所述控制器具备:除法器，其取得所述气化气体流量检测单元检测出的所述气化气体的流量和所述普通燃料流量检测单元检测出的所述普通燃料的流量，计算混合燃烧比例；运算器，其根据来自所述除法器的混合燃烧比例信号来运算阀开度，控制所述第I蒸汽流量调节阀。
6.根据权利要求1所述的热电比可变型热电联产系统，其特征在于， 具备发热量检测单元，其检测所述气化气体的发热量； 所述控制器具备运算器，其取得所述发热量检测单元检测出的所述气化气体的发热量，根据所述气化气体的发热量的信号来运算阀开度，控制所述第I蒸汽流量调节阀。
【文档编号】F23L7/00GK104048313SQ201310529733
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】小金泽知己, 阿部一几 申请人:株式会社日立制作所