特許 6286056 低負荷条件におけるガスタービン発電設備の運転装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6286056

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】低負荷条件におけるガスタービン発電設備の運転装置および方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/00 20060101AFI20180215BHJP

   F02C 6/18 20060101ALI20180215BHJP

   B01D 53/86 20060101ALI20180215BHJP

   B01D 53/90 20060101ALI20180215BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/00 B

   F02C6/18 A

   B01D53/86 223

   B01D53/86 245

   B01D53/90

【請求項の数】15

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-546767(P2016-546767)

(86)(22)【出願日】2015年1月15日

(65)【公表番号】特表2017-511854(P2017-511854A)

(43)【公表日】2017年4月27日

(86)【国際出願番号】US2015011563

(87)【国際公開番号】WO2015109072

(87)【国際公開日】20150723

【審査請求日】2017年10月31日

(31)【優先権主張番号】61/928,897

(32)【優先日】2014年1月17日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/496,835

(32)【優先日】2014年9月25日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/553,498

(32)【優先日】2014年11月25日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】513041244

【氏名又は名称】ミツビシ ヒタチ パワー システムズ アメリカズ インク

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(72)【発明者】

【氏名】デイビッド マクディード

(72)【発明者】

【氏名】ジョージ パイロス

(72)【発明者】

【氏名】アンソニー ブラバト

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０６８０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１９６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１１９５１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００１０７４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／７３，５３／８６−５３／９０，５３／９４，５３／９６

Ｆ０１Ｋ ２３／００−２７／０２

Ｆ０１Ｎ １／００−９９／００

Ｆ０２Ｃ １／００− ９／５８

Ｆ２３Ｒ ３／００− ７／００

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排出物規制に適合する稼働領域を従来型ガスタービンの排出物規制適合最小負荷（ＧＴ ＭＥＣＬ）より小さい側に拡張できるよう排出物制御機器を構成したガスタービン発電設備のための装置であって、
熱交換器と、
直列に配置された複数の一酸化炭素（ＣＯ）酸化触媒と、
前記複数の酸化触媒の下流に配置され、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物の規制適合を維持するための、少なくとも一つの選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を含み、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の上流に設けられ、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の下流に設けられる装置。

【請求項2】

排出規制に適合する稼働領域を従来型ガスタービンの排出物規制適合最小負荷（ＧＴ ＭＥＣＬ）より小さい側に拡張できる請求項１に記載の装置を備えたガスタービン発電設備の運転方法であって、
前記ガスタービンを５０％負荷より低い負荷値で操作する工程と、
排気流の中の、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を、前記熱交換器の上流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを最初の経路（ｐａｓｓ）として用いて低減させ、
前記熱交換器の下流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを用いて、煙突排出物の規制適合を達成するのに要求されるレベルまで、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を低減させ、
煙突排出物の規制適合を達成するようＮＯｘ排出物を低減させるために、前記ＳＣＲ触媒の上流にＮＨ_３を注入し、
低負荷範囲で前記設備を運転するように制御ロジックを運用する運転方法。

【請求項3】

前記ＳＣＲ触媒が、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物の規制適合を維持するため、高いＮＯ_２分解速度を有し、ＮＯｘ排出物を低減する請求項１に記載の装置。

【請求項4】

改良により請求項１に記載の装置を設置した発電設備。

【請求項5】

改良により請求項３に記載の装置を設置した発電設備。

【請求項6】

ガスタービンからの排出物が局所的最小値（当該値よりも大きい負荷または小さい負荷ではガスタービン排出物が多くなる負荷における、小さいガスタービン排出物の量であり、これにより、当該ガスタービン負荷において煙突排出物の規制適合を達成することが可能となる）をとるかまたは局所的最小値をとるまでの、排出物規制適合最小負荷（ＭＥＣＬ）より小さい特定の負荷において、排出物規制に適合して設備が稼働できるよう排出物制御機器を構成したガスタービン発電設備のための装置であって、
熱交換器と、
直列に配置された複数の一酸化炭素（ＣＯ）酸化触媒と、
前記複数の酸化触媒の下流に配置され、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物の規制適合を維持するための、少なくとも一つの選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を含み、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の上流に設けられ、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の下流に設けられる装置。

【請求項7】

ガスタービンからの排出物が局所的最小値またはその近傍値をとる、排出物規制適合最小負荷より小さい特定の負荷において、または１００％負荷から前記局所的最小値をとる負荷まで連続的に、排出物規制に適合してガスタービン発電設備が稼働できる請求項６に記載の装置を有するガスタービン発電設備の運転方法であって、
前記ガスタービンを排出物規制（ＭＥＣＬ）負荷より低い負荷値で操作する工程と、
排気流の中の、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を、前記熱交換器の上流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを最初の経路（ｐａｓｓ）として用いて低減させ、
前記熱交換器の下流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを用いて、煙突排出物の規制適合を達成するのに要求されるレベルまで、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を低減させ、
煙突排出物の規制適合を達成するようＮＯｘ排出物を低減させるために、前記ＳＣＲ触媒の上流にＮＨ_３を注入し、
低負荷範囲で前記設備を運転するように制御ロジックを運用する運転方法。

【請求項8】

前記ＳＣＲ触媒が、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物規制適合を維持するため、高いＮＯ_２分解速度を有し、ＮＯｘ排出物を低減する請求項６に記載の装置。

【請求項9】

改良により請求項６に記載の装置を設置した発電設備。

【請求項10】

改良により請求項８に記載の装置を設置した発電設備。

【請求項11】

立上げおよび停止動作の間の排出物が顕著に低減されるよう排出物制御機器を構成したガスタービン発電設備のための装置であって、
熱交換器と、
直列に配置された複数の一酸化炭素（ＣＯ）酸化触媒と、
前記複数の酸化触媒の下流に配置され、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物の規制適合を維持するための、少なくとも一つの選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を含み、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の上流に設けられ、
前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つが、前記熱交換器の下流に設けられる装置。

【請求項12】

立上げおよび停止動作の間の排出物が顕著に低減される、請求項１１に記載の前記装置を有するガスタービン発電設備の運転方法であって、
前記ガスタービンを排出物規制（ＭＥＣＬ）負荷より低い負荷値で操作する工程と、
排気流の中の、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を、前記熱交換器の上流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを最初の経路（ｐａｓｓ）として用いて低減させ、
前記熱交換器の下流に設けた前記複数のＣＯ酸化触媒のうちの少なくとも一つを用いて、煙突排出物の規制適合を達成するのに要求されるレベルまで、前記ガスタービンからの一酸化炭素および揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の排出物を低減させ、
煙突排出物の規制適合を達成するようＮＯｘ排出物を低減させるために、前記ＳＣＲ触媒の上流にＮＨ_３を注入し、
低負荷範囲で前記設備を運転するように制御ロジックを運用する運転方法。

【請求項13】

前記ＳＣＲ触媒が、５０％から１００％の負荷範囲と同様に低負荷時にも排出物の規制適合を維持するため、高いＮＯ_２分解速度を有し、ＮＯｘ排出物を低減する請求項１１に記載の装置。

【請求項14】

改良により請求項１１に記載の装置を設置した発電設備。

【請求項15】

改良により請求項１３に記載の装置を設置した発電設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年１月１７日に仮出願された仮出願第６１／９２８８９７号に基づいて米国特許法第１１９条（ｅ）項による優先権を主張して２０１４年９月２５日に出願された米国出願第１４／４９６，８３５号の一部継続出願であり、それらの全ての内容が参照により本出願に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

ガスタービン排気中の排出物は、稼働負荷が特定の値より小さいとき（典型的には５０％未満）顕著に（最大では３００倍にまで）増大し、発生するＮＯｘ、ＣＯやＶＯＣ（揮発性有機化合物）を従来の排出物制御システムが十分に分解できない状態にまでなる。その結果、発電設備の排出物は許容規制値を超え、運転を停止するか、あるいは負荷を増やすかを強いられる。この決定は配電網運用の障害となるとともに、当該稼働設備の経済性を顕著に低下させる。戦略的分野において付加的な排出物制御装置を利用することで排出物規制に適合する稼働範囲を拡大することは、定常運転の間および立上げ・停止動作中に発生する設備排出物の全体を低減すると共に、配電網の安定性と設備の運転柔軟性の向上に資する。

【0003】

これらの懸念は、間欠的に稼働する再生可能エネルギー源の普及に伴い、配電網運用者がガスタービン発電設備に要求する柔軟性、低負荷運転とより頻繁な立上げおよび停止動作処理が増大する中で、克服困難なまでに難しさを増している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図１は、ガスタービン・サイクル１と水／水蒸気サイクル２とを有する従来型コンバインドサイクル発電設備を示している。ガスタービン・サイクル１においては、空気圧縮機１０に空気が入り、燃料Ｆと燃焼室１１において混合され、燃焼させられる。燃焼生成物はタービン部１３へと供給され、タービンシャフト１４に発電機１５を回転させ、発電が行われる。

【0005】

ガスタービン１３からの排気Ｅは、移行ダクト１９に入り、熱回収水蒸気発生器（ＨＲＳＧ）２０へ導かれ、水／水蒸気回路を通過する際に、水を加熱し水蒸気へと沸騰させることで冷却される。実用的量のエネルギーを水／水蒸気サイクルに与えた（冷却された）後、ＨＲＳＧ排気煙突２１から排出される。環境保護庁（ＥＰＡ）への報告と排出規制適合の決定のために、この排出煙突において排出値が計測される。

【0006】

水／水蒸気サイクル２は、ＨＲＳＧ２０、水蒸気タービン（ＳＴ）７０、発電機７５並びに復水器７６から構成される。ＳＴ７０は、高圧（ＨＰ）部７１、中間圧力（ＩＰ）部７２および低圧（ＬＰ）部７３から構成される。図示されているのは３圧力再加熱システムであるが、同様に配置可能なものとしては、３圧力非再加熱、２圧力、並びに単圧力ＨＲＳＧとボイラーのシステムがある。ＩＰ部は、再加熱タービンと呼ばれることもある。ＳＴ７０の３つの部分並びに発電機７５はすべて共通のシャフト７４につながっている。水蒸気がＳＴ７０を通って流れるときにシャフト７４を回転させ、発電機７５が発電を行う。この水蒸気はＳＴ７０を出て、復水器７６へと流れる。

【0007】

図１に併せて示すとおり、従来の典型的なコンバインドサイクル発電設備は追加の標準的要素を含む。例えば低圧復水器２２、低圧（ＬＰ）エコノマイザ２３、ＬＰ水蒸気ドラム３１、ＬＰ降水管３２、ＬＰ蒸発器３３、ＬＰ過加熱器３４、ＳＴのＬＰ部（７３）への配管３５、ＬＰバイパスバルブと脱過加熱器３７、ＩＰエコノマイザ４０、ＩＰ水蒸気ドラム４１、ＩＰ降水管４２、ＩＰ蒸発器４３、ＩＰ過加熱器４４、低温再加熱管（６１）への配管４５、ＨＰエコノマイザ５０、ＨＰエコノマイザ５１、ＨＰ降水管５３、ＳＴのＨＰ部（７１）への配管５６、ＨＰバイパスバルブと脱過加熱器５８、低温再加熱配管６１、ＳＴのＩＰ部（７２）への高温再加熱配管６３、ＲＨバイパスバルブと脱過加熱器６５、並びにボイラー供給ポンプ８１である。これらの動作は知られているので、これ以上の詳細は議論しない。

【0008】

最大負荷と最小負荷間の通常運転中、ＨＲＳＧ内で生じる全ての水蒸気は圧力制御無しに（変動圧力で）ＳＴに送られ、ＳＴＬＰ部７３から出て復水器７６に送られ、そこで水に凝縮されポンプ８０に始まる水／水蒸気サイクル２を通って再循環される。

【0009】

ＨＲＳＧから出る水蒸気はバルブ（ＳＴ注入バルブ）[ＨＰ:５７、ＲＨ:６４およびＬＰ:３６]を通ってＳＴへ流れ、上述のように電力を生み出す。これらのバルブは、ある運転条件下で必要ならば、各々の圧力レベルにおいて水／水蒸気回路の圧力制御に使うことが出来る。

【0010】

従来の構成は、この排出物制御装置の全てを排気流の中でＨＰボイラードラムの下流に設置する。図１に示されているように、中間温度ＣＯ触媒１３０、次にアンモニア注入配管網１２０、そして最後にＮＯｘ制御のための選択的還元触媒（ＳＣＲ）１１０が来る。

【0011】

しかしながら、典型的なガスタービン発電設備（ＧＴＰＰ）、例えば図１に示す従来型コンバインドサイクル発電設備は、排出規制適合の許容レベルを維持しつつ発電するために、５０％から１００％の負荷範囲で稼働するように設計されている。時には設備は通常の１００％負荷範囲を超える能力を得るため、ダクト燃焼を含む。業界標準の排出物制御設備を利用してこれらのレベルは制御されている。約５０％より低い負荷においては、ガスタービン（ＧＴ）の排出物は、劇的に増大し、３００倍を超えることもある。局所的最小値を例示する表１Ａを見て頂きたい。この例においては、ＧＴ負荷が１７％のときに、排出物の局所的最小値があることに注目してほしい。

【表1A】

【0012】

これが、表１Ｂに示されるＮＯｘ、ＣＯおよびＶＯＣに関する従来の煙突排出値に変わる。負荷１００％から約５０％の間の高負荷範囲は排出規制適合が達成可能な範囲である。負荷５０％はＧＴからの排出値が十分低く、燃焼後浄化装置が排出物を十分に処理して煙突における排出規制値を満たすことができるレベルである。この負荷５０％値はしばしばガスタービンにおける排出規制適合最小負荷（ＭＥＣＬ）と言われる。この装置はＧＴ負荷＜約５０％負荷の範囲においては、排出規制を満たさない。これはより低いＧＴ負荷におけるこのエンジンの特性、すなわち排出物の著しい増加とＮＯｘに対するＮＯ_２の割合の著しい増加の結果である。

【表1B】

【0013】

ＮＯｘ排出物はＮＯとＮＯ_２から成る。ＧＴ負荷が５０％より低くなると、ＮＯｘの構成要素はＮＯからＮＯ_２へとシフトするが、後者は分解するのがはるかに困難である。選択的触媒還元（ＳＣＲ）脱ＮＯｘ反応は、ＮＯｘがＮＨ_３により窒素に還元される反応であるが、一般的には下の反応（１）により進行する。ＮＯ_２がＮＯと同時に存在する場合は反応（２）と（３）が起きる。もしＮＯｘ中のＮＯ_２の割合が５０％より低い場合（ＧＴ負荷≧５０％）には、ＮＯ_２とＮＯは反応（２）により除去され、残ったＮＯは反応（１）で除去される。もしＮＯｘ中のＮＯ_２の割合が５０％より高ければ（ＧＴ負荷＜約５０％）、残ったＮＯｘ成分中のＮＯ_２は反応（２）の進行に伴い濃くなる。この状況では、脱ＮＯｘ反応は顕著に低下する。反応（３）が遅いためである。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２=>４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ （１）
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３=>２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ （２）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３=>７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ （３）

【0014】

従来型ＧＴＰＰはＧＴ排気経路内の排出値を制御するため、酸化（ＣＯ）触媒１３０、アンモニア注入配管網１２０およびＳＣＲ(ＮＯｘ)触媒１１０を備えていることもあり得る。典型的には、この部分の温度は５００°Ｆから７００°Ｆの範囲にある（単一サイクルガスタービン設備においては幾分かさらに高い温度が一般的であるが）。この装置はコンバインドサイクル発電応用においては、典型的にはＨＰ蒸発管の下流に設置される。そこでは排気温度はこれらの化学反応が効果的に起きるのに適切な温度になっている。従来のＳＣＲ触媒１１０は比較的高い濃度のＮＯと比較的少量のＮＯ_２を分解するよう設計されている。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、ガスタービン発電設備（単一サイクル、コンバインドサイクルあるいはコジェネレーション）を１００％負荷から約４０％負荷まで連続的に、また非常に低い負荷設定値（そこでＧＴ排出値が局所的最小値となる）においても、あるいは１００％負荷からこの局所的最小値となる負荷まで連続的に、煙突排出物の規制適合を維持しつつ運転可能とする。

【0016】

本発明の他の態様によれば、ガスタービン発電設備の運転立上げおよび停止動作中の累積排出物もまた顕著に低減される。これは、制御システムの改良や水蒸気サイクルの管理戦略などの他の顕著な特徴と併せて、主に直列（２つ以上）の酸化（ＣＯ）触媒および、必要に応じ、高濃度ＮＯ_２還元用ＳＣＲ触媒を排気経路に追加することで達成される。

【0017】

本発明の一態様によれば、排出物規制に適合する稼働範囲を拡大できるよう排出物制御機器を特殊な形に構成したガスタービン発電設備のための装置は、直列に配置された複数の酸化（ＣＯ）触媒を含む。本発明の他の態様によれば、前記装置を有するガスタービン発電設備に関し、排出物規制に適合する稼働範囲を拡大できる発電設備の運転方法が提供される。本発明の他の態様によれば、前記装置は、前記の複数の酸化触媒の下流に、通常運転の負荷と同様に低負荷において排出物規制の適合を維持するためにＮＯｘ排出を低減するＮＯｘ触媒をさらに含む。本発明の他の態様によれば、前記装置は、通常負荷運転時と同様に低負荷運転時に排出物の規制適合を維持するために、ＮＯ_２を高い反応速度で分解可能であってＮＯｘを低減する少なくとも１つのＮＯｘ触媒を含む。本発明の他の態様によれば、既存の発電設備を改造して、前記装置を取り付けることができる。

【0018】

本発明の一態様によれば、ガスタービン発電設備のための装置は、ＭＥＣＬより低い負荷であってガスタービンからの排出物が局所的最小値またはその近傍値を取る特定の負荷において、あるいは１００％負荷から前記局所的最小値となる負荷まで連続的に、発電設備が排出物規制に適合して稼働できるよう排出物制御機器を特有の形に構成し、直列に配置された複数の酸化（ＣＯ）触媒を含む。本発明の他の態様によれば、前記設備を有するガスタービン発電設備の運転方法が提供され、ＭＥＣＬより低い負荷であってガスタービンからの排出物が局所的最小値またはその近傍値をとる特定の負荷において、あるいは１００％負荷から局所的最小値をとる負荷まで連続的に、発電設備が排出物規制に適合して稼働することを可能とする。本発明の他の態様によれば、前記装置は、前記の複数の酸化触媒の下流に、通常運転の負荷と同様に低負荷において排出物の規制適合を維持するためにＮＯｘ排出を低減するＮＯｘ触媒をさらに含む。本発明の他の態様によれば、前記装置は、通常負荷運転時と同様に低負荷運転時に排出物の規制適合を維持するために、ＮＯ_２を高反応速度で分解可能であってＮＯｘを低減する少なくとも１つのＮＯｘ触媒を含む。本発明の他の態様によれば、既存の発電設備を改造して、前記装置を取り付けることができる。

【0019】

本発明の一態様によれば、運転立ち上げおよび停止動作の間の排出物が顕著に低減されるよう排出物制御機器を特有の形に構成したガスタービン発電設備のための装置は、直列に配置された複数の酸化（ＣＯ）触媒を含む。本発明の他の態様によれば、運転立ち上げおよび停止動作の間の排出物が顕著に低減される、前記装置を有するガスタービン発電設備の運転方法が提供される。本発明の他の態様によれば、前記装置は、前記複数の酸化触媒の下流に、通常運転の負荷と同様に低負荷において排出物の規制適合を維持するためにＮＯｘ排出を低減するＮＯｘ触媒をさらに含む。本発明の他の態様によれば、前記装置は、通常負荷運転時と同様に低負荷運転時に排出物の規制適合を維持するために、ＮＯ_２を高反応速度で分解可能であってＮＯｘ排出物を低減する少なくとも１つのＮＯｘ触媒をさらに含む。本発明の他の態様によれば、既存の発電設備を改造して、前記装置を取り付けることができる。

【0020】

本発明の一態様によれば、排出物規制に適合する稼働範囲を拡大できるよう排出物制御機器を特有の形に構成したガスタービン発電設備のための装置は、排出物の規制適合を維持するためにＮＯ_２を高反応速度で分解可能であってＮＯｘを低減する少なくとも１つのＮＯｘ触媒をさらに含む。本発明の他の態様によれば、排出物規制に適合する稼働範囲を拡大し、および／または運転立上げおよび停止動作の間の排出物を顕著に低減することができる前記装置を有するガスタービン発電設備の運転方法が提供される。本発明の他の態様によれば、既存の発電設備を改造して前記装置を取り付けることができる。

【0021】

本発明の更なる特性と利点は、添付の図面に非限定的実施例により図示された、発電設備および運転方法に関する非排他的な好ましい実施形態の記載からより容易に明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は従来型の３圧力、再加熱、コンバインドサイクル発電設備の構成を示し、ガスタービン（「ＧＴ」）、熱回収水蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）および水蒸気タービン（「ＳＴ」）を基にしている。ＨＲＳＧはときには廃熱水蒸気発生器としても知られる。

【0023】

【図2】図２は本発明の一実施形態によるコンバインドサイクル発電設備の構成を示す。

【0024】

図１と図２における類似要素を特定するために同じ参照番号を用いた。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図２を参照しつつ、本発明の一実施形態につき述べる。この実施形態においては、排出物制御機器が異なる構成で設計され、稼働範囲をより広くし、低負荷時の排出物をより低くするために最適化される。すなわち、ダクトバーナー有りまたは無しで設計され、本発明の前記実施形態に従い運転されるＧＴＰＰは、排出物制御機器および他の重要な特徴を特有の形で活用することで、実施例発電設備が５０％負荷より低い負荷において煙突排出物の規制適合を維持しつつ稼働することを可能とする。

【0026】

特に、図２に示すように、排出物制御機器は、複数のＣＯ触媒１３０、１４０および１５０を含む。排気経路中の最初の触媒は高温ＣＯ触媒１４０である。この上流の酸化（ＣＯ）触媒１４０は、１つ以上の下流ＣＯ触媒１３０、１５０の上流（典型的には、排気経路の高温領域（８００°Ｆ以上））に位置し、排気ガス流におけるＣＯ排出物の最初の低減を行う。これら直列に配置されたＣＯ触媒は不完全燃焼生成物の全体的な低減に顕著な効果をもたらす。

【0027】

このＣＯおよびＶＯＣ低減は表１ＡにおけるＧＴ負荷の値と下の表２Ｂに示す値の差により説明される（この例では、ＧＴ負荷１７％において排出物が局所的最小値をとる）。この触媒１４０は、ＨＰドラムの上流であってＧＴ排気（１３）の下流であれば個別設備の設計／運転条件に応じて、どこにでも配置可能である。

【表2B】

【0028】

下流の１つ以上の酸化（ＣＯ）触媒１３０、１５０は排気経路のより低温域（約８００°Ｆ以下）に位置し、排気ガス流におけるＣＯ排出物をさらに低減する。

【0029】

図２に示すように、高濃度ＮＯ_２を含む可能性のあるＮＯｘ排出物を低減するために、高濃度ＮＯ_２還元特殊ＳＣＲ触媒１６０が、ＣＯ触媒１３０、１４０、１５０の下流、典型的には排気経路の中間温度領域（約５００°Ｆから７５０°Ｆ）に配置されている。しかしながら、もし高濃度ＮＯ_２が存在しないときは、業界標準のＳＣＲ触媒１１０を用いることができる。ＳＣＲ触媒１６０は低負荷運転に必要とされる高濃度ＮＯ_２還元用に設計される。高濃度ＮＯ_２還元は高濃度ＮＯ_２還元特殊ＳＣＲ触媒１６０を用いることで達成できる。そのような設計の一例は米国特許第７,７４９,９３８号明細書に記載されており、その内容の全てが参照により本出願に組み込まれる。

【0030】

図２に併せて示すように、ＳＣＲ触媒１６０の上流に位置するアンモニア注入網１２０は、高負荷および低負荷、両方の流れの状態に対応するよう設計されている。さらに、図２には示されていないが、高濃度ＮＯ_２が存在しないときには、高濃度ＮＯ_２還元特殊ＳＣＲ触媒１６０に替えて、従来型のＳＣＲ触媒１１０をＮＯｘ制御用に使うことができる。上述の新規事項に加えて、所望の排出物レベルを達成するために、強化した設備制御システムや最終段階の温度調整のような、追加の設計および制御の強化が必要となることもあり得る。それらの機器やシステムはよく知られたものであり、それ故、詳述はしない。

【0031】

例えば図２に示すコンバインドサイクル構成設備の運転方法において、通常運転の間、ＧＴからの排気ガスは、先ず高温ＣＯ触媒１４０に接触し、そこでＣＯが設計に基づきはじめてより低いレベルに低減される。そこを通り過ぎると、排気ガスはＨＰ過加熱器５５および再加熱器６２を通る間に冷却され、次にＨＰボイラードラム管５４を通ってさらに冷却される。触媒１３０、１４０、１５０および１６０は、要求される煙突２１からの排出物レベルを維持するために、排気温度のこの領域で作用するよう設計される。中間温度ＣＯ触媒１３０は排気ガス中の残留ＣＯを許容レベルへと低減する（必要ならば、第３ＣＯ触媒１５０を設置できる）。アンモニア注入網１２０がその後にガス流中にアンモニアを注入し、混合ガスは次にＳＣＲ触媒１６０へと運ばれ、そこでＮＯｘが規制適合許容レベルまで低減される。

【0032】

より低い負荷においては、ＣＯ排出物は顕著に増大し、単一のＣＯ触媒だけでは煙突排出物の規制適合レベルを維持するだけの十分なＣＯの分解ができなくなる。併せて、ＮＯｘレベルの増大とＮＯ_２のＮＯに対する割合の増大により、アンモニアとＳＣＲ触媒の所要量が従来の方法を用いたのでは非経済的となる。

【0033】

低負荷および非常に低負荷運転の間、ＨＰドラム５２の圧力は、排出物触媒の高い反応速度を維持するため、より高負荷域（の圧力）に維持される。コンバインドサイクルならびにコジェネレーション設備に関しては、ＨＰドラム５２の圧力を、より低い負荷のときの中間温度域において触媒の効率を最適化する圧力以下に保つように、ＨＰ水蒸気回路は設計され、調整される。これは、ＨＰＳＴ導入制御バルブを絞ることで達成される。

【0034】

ＣＯ触媒における多重還元は、非常に高い全体としてのＣＯ還元速度を実現し、非常に低負荷の運転において低い煙突排出物レベルを維持する。ＮＯ_２分解作用を高めたＮＯｘ特殊触媒１６０は、必要であれば、より高濃度のＮＯ_２に対して煙突排出時のＮＯｘを許容範囲に低減することを可能とする。

【0035】

下の表３Ｂは、本発明の採用により煙突排出物の規制適合を達成できる一例を示す（本事例においては、ＧＴ負荷１７％に局所的最小値が存在）。追加された触媒層の追加により、負荷１００％から局所的最小値まで連続的に、煙突排出物保証レベルを達成することができる。

【表2C】

【0036】

本発明の他の実施態様によれば、排気ガス流におけるＣＯ排出物レベルの最初の低減を行うために、図２に示されるように、上流酸化（ＣＯ）触媒１４０は１つ以上の下流ＣＯ触媒１３０、１５０の上流に位置すると記載されたが、必要であれば、排気ガス流中のＣＯ排出物レベルを更に低減するために、追加のＣＯ触媒１５０を高温ＣＯ触媒１４０の上流に配置することもできる。

【0037】

本発明の他の実施態様によれば、既存のＧＴＰＰを改良して上述の追加の触媒１４０、１５０を追加でき、および／または、必要であれば、既存のＳＣＲ（ＮＯｘ）触媒１１０を高濃度ＮＯ_２ＳＣＲ触媒１６０と置き換えることができる。

【0038】

本発明の他の実施態様によれば、ガスタービン発電設備の立上げおよび停止動作の間の累積排出物量が顕著に低減される。これは、制御システムの改良および水蒸気サイクル管理戦略などの他の重要な特徴とともに、主として一連の酸化（ＣＯ）触媒１３０、１４０、１５０（２つ以上）および、必要に応じ高濃度ＮＯ_２還元ＳＣＲ触媒１６０を排気経路に追加することにより達成される。

【0039】

さらに、本発明の実施形態はコンバインドサイクル発電設備の構成に関して記載されたが、本発明の上述の特徴は、ＳＴ全または部分バイパス運転、単一サイクル運転、単一または２圧力コンバインドサイクル、ならびにコジェネレーションサイクルを含む（これらに限らず）他の設備構成においても採用することが出来ることは容易に理解できることである。

【0040】

本発明の好ましい実施形態に関する上述の記載から、当業者は改良、変更などを着想するであろう。そのような当業者の技術範囲内の改良および変更は添付の請求項の範囲内にあることを意図している。更には、上述の内容は本願に記載された実施形態のみに関わるものであり、以下の請求項およびそれらの均等物により規定される出願の範囲とその主旨から乖離することなく、多くの変更と改良が行われ得ることは明らかであろう。

【符号の説明】

【0041】

１９・・・移行ダクト、
２０・・・ＨＲＳＧケーシング
２１・・・ＨＲＳＧ排気煙突
低圧（ＬＰ）部
２２・・・低圧復水器
２３・・・低圧（ＬＰ）エコノマイザ
３１・・・ＬＰボイラードラム
３２・・・ＬＰ降水管
３３・・・ＬＰ水蒸気発生器
３４・・・ＬＰ過加熱器
３５・・・ＳＴのＬＰ部（７３）への配管
３６・・・ＬＰバルブ−図２において調整された運転領域を追加した
３７・・・ＬＰバイパスバルブおよび脱過加熱器
中間圧力（ＩＰ）／再加熱部
４０・・・ＩＰエコノマイザ
４１・・・ＩＰ水蒸気ドラム
４２・・・ＩＰ降水管
４３・・・ＩＰ水蒸気発生器
４４・・・ＩＰ過加熱器
４５・・・低温再加熱配管（６１）への配管
高圧（ＨＰ）部
５０・・・ＨＰエコノマイザ
５１・・・ＨＰエコノマイザ
５２・・・ＨＰ水蒸気ドラム
５３・・・ＨＰ降水管
５４・・・ＨＰ水蒸気発生器
５５・・・ＨＰ過加熱器
５６・・・ＳＴのＨＰ部（７１）への配管−図２において調整された運転領域を追加した
５８・・・ＨＰバイパスバルブおよび脱過加熱器
高温再加熱部（ＨＲＨ）
６１・・・低温再加熱配管
６２・・・再加熱部
６３・・・ＳＴのＩＰ部（７２）への高温再加熱配管
６４・・・ＲＨバルブ−図２において調整された運転領域を追加した
６５・・・ＲＨバイパスバルブと脱過加熱器
ＳＴおよび復水器部
７０・・・ＳＴコンバインド部
７１・・・ＨＰ水蒸気タービン
７２・・・ＩＰ水蒸気タービン
７３・・・ＬＰ水蒸気タービン
７４・・・共通タービンシャフト
７５・・・発電機
７６・・・復水器
８０・・・復水器ポンプ
８１・・・ボイラー供給ポンプ
１１０・・・選択的（脱ＮＯｘ）還元触媒
１２０・・・アンモニア注入網
１３０・・・中間温度酸化触媒の位置
１４０・・・高温酸化触媒
１５０・・・高温酸化触媒の位置の選択可能域
１６０・・・選択的触媒（高濃度ＮＯ_２用）
作動流体
Ａ−外気
Ｄ−煙突放出
Ｅ−ＧＴ排気
Ｆ−燃料

【図1】

【図2】