CN101023256B - 燃气轮机设备、低热量气体供给设备以及该气体的热量上升的抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的低热量气体供给设备能抑制低热量气体的热量的急剧上升，将其作为稳定的燃气轮机用燃料提供。该设备具备：将低热量气体提供给燃气轮机(2)的低热量气体供给配管(3)、向低热量气体供给配管(3)提供空气的空气供给配管(4)、配设于低热量气体供给配管(3)与空气供给配管(4)的连结部的第1混合器(6)、配设于低热量气体供给配管(3)上，检测气体中的热量的卡路里计(11)、设置于低热量气体供给配管(3)的上述第1混合器(6)下游侧的氧浓度计(15)、以及控制装置(50)；控制装置(50)在卡路里计(11)的检测值超过基准值时能够控制从空气供给配管(4)提供空气，根据氧浓度计(15)的检测结果，使空气比例在低热量气体的可燃界限内。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机设备、低热量气体供给设备以及抑制该气体的热量上升的方法。更详细地说，涉及可将低热量气体以能够作为燃气轮机的燃料使用的状态提供给燃气轮机的低热量气体供给设备、具备该低热量气体供给设备的燃气轮机设备、以及抑制该燃气轮机燃料用的低热量气体的热量(也称为“卡路里”)上升的方法。
背景技术
炼铁领域中，在采用例如高炉法生产生铁的情况下，炉顶气(即高炉气(BlastFurnace Gas)，以下记为BFG)作为副产品气体从高炉产生。BFG的总热量甚至于达到使用的焦炭的热量的大约一半，因此为了降低制造生铁的成本价格，在钢铁厂内，在许多方面使用BFG。每投入1吨的焦炭发生3000Nm3左右的BFG，其组成为大约10～18体积％(以下简单记为％)的二氧化碳(CO2)、22～30％的一氧化碳(CO)、52～60％的氮气(N2)、0.5～4％的氢气(H2)、0.5～3％的甲烷(CH4)。
除此以外，BFG还含有2～10g/Nm3的烟尘，因此，利用除尘器加以去除，使其达到0.01g/Nm3左右，然后作为热量800kcal/Nm3左右的燃料气体使用于热风炉、炼焦炉、加热炉、锅炉等。近年来，由于其技术的提高，在燃气轮机上也可以使用低热量气体作为燃料，将BFG作为燃气轮机的燃料使用以进行发电的事例正在增加。在这里说的所谓低热量气体定义为其热量约为12MJ/Nm3以下的气体。作为低热量气体，如下所述不限于高炉气体(BFG)，也包含转炉气(LDG)等许多气体其他及其混合气体。
另一方面，近年来，除了高炉法以外，不断出现了新的制铁工艺(例如FINEX和COREX等直接还原制铁方法)，对这样的新工艺发生的其他气体副产品的有效利用也能够适应的燃烧方式有待开发。不管是哪一种制铁工艺，所发生的气体副产品的特性(气体的组成和热量)都因设备和操作内容而不同。即使是相同的设备，也不是一定的，而是随着原料的特性和反应过程而时刻发生变化。
将气体副产品作为燃气轮机的燃料使用的情况下，对作为最主要的特性的热量进行观察，在超过各燃气轮机固有的热量的允许变动幅度的上限(例如平均热量值的约+10％)的情况下，也就是热量急剧增大的情况下，有时候在燃气轮机的燃烧器内的燃烧温度急剧上升到异常高温。因此燃烧器部分、燃气轮机的静翼和动翼有可能受到损伤，造成缩短寿命等损害。在这种情况下，燃气轮机设备节省地连续运行是困难的。
为了抑制气体副产品的热量变化，利用氮气进行稀释的技术已经是公知的技术(参照例如专利文献1和专利文献2)。但是在只利用氮气稀释气体副产品的情况下，由于热量的变动值的关系，不得不大量使用氮气等高价的不活泼气体。而且连续大量地保证不活泼气体的供应除了特殊的工业领域外是非常困难的。还必须配设大量不活泼气体的贮存设备和包括配管在内的气体供应用的各种机器设备等。由于这些原因，使用不活泼气体的方法会降低燃气轮机发电的经济效益，对标榜高效率的燃气轮机技术的技术优势有妨碍。
专利文献1：日本特开2002-155762号公报
专利文献2：日本特开平9-317499号公报
发明内容
本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于，提供设备成本和运行成本低廉的，能够缓和燃气轮机用的低热量燃料气体的热量上升的低热量气体供给设备、具备这种低热量气体供给设备的燃气轮机设备、以及抑制燃气轮机燃料用的低热量气体的热量上升的方法。
为了实现上述目的，本发明的低热量气体供给设备具备
将低热量气体作为燃料气体提供给燃气轮机用的低热量气体供给通路、
连接于该低热量气体供给通路上的，向低热量气体供给通路提供空气用的空气供给通路、
配设于所述低热量气体供给通路上的，检测气体中的热量用的热量检测装置、以及
根据该热量检测装置的检测结果，能够控制空气供给通路的空气供给动作的控制装置。
如果采用本发明，则通过在其中混合大量包含氮气而且极其容易得到的空气，能够抑制低热量气体的热量上升。在这里，所谓热量检测装置，当然包含直接测量气体热量的装置(例如所谓卡路里计)，而且也包含测量气体中的可燃成分含有率的装置。
所述控制装置形成能够设定燃气轮机的燃料气体的最大允许热量值，在低热量气体的热量值超过该最大允许热量设定值时，从空气供给通路提供空气的结构。
所述低热量气体供给通路的与空气供给通路连接的连接部的下游侧的部位上，配设氧浓度检测装置，所述控制装置形成根据氧浓度检测装置的检测结果能够控制空气供给通路的空气供给动作的结构的低热量气体供给设备是理想的。因为为了防止低热量气体与空气的混合气体发火，能够根据上述混合气体的氧含有率控制低热量气体与含有一定的比例(约21％，这是不变的)的氧的空气混合。
具备这种氧浓度检测装置的设备，所述控制装置形成能够以根据从低热量气体与空气的混合比得到的低热量气体的可燃界限信息设定的空气的允许混合体积比例为基准，控制空气供给通路的空气供给量的结构。
理想的是，在具备这种氧浓度检测装置的设备中，在所述低热量气体供给通路上连接提供不活泼气体用的不活泼气体供给通路，所述控制装置形成能够根据氧浓度检测装置的检测结果，控制不活泼气体供给通路的不活泼气体供给动作的结构。这是因为，例如借助于限制空气的供给，低热量气体的热量的上升得不到充分抑制的情况下，借助于不活泼气体的提供，能够补充对热量变动的抑制作用。还有，至上述混合部的不活泼气体供给通路的一部分也可以构成与上述空气供给通路共用的通路。
最好是低热量气体供给设备在所述低热量气体供给通路上连接提供不活泼气体用的不活泼气体供给通路，所述控制装置形成能够在利用空气供给通路对低热量气体供给通路供给空气的状态下，根据热量检测装置的检测结果控制不活泼气体供给通路的不活泼气体供给动作的结构.假如利用空气对低热量气体的热量的上升进行的抑制不够充分，这时可以利用不活泼气体进行补充.
在上述各设备中，最好是在所述低热量气体供给通路上配设暂时贮存低热量气体的第1容器，该第1容器具有入口和出口，在入口上连接低热量气体的供给通路的上游侧，在出口上连接低热量气体供给通路的下游侧。这是因为，通过低热量气体供给通路输送来的全部低热量气体暂时贮存于第1容器内，在其中利用混合气体使其热量的变动幅度减小，而且使热量变动缩短缓和，因此利用在第1容器的出口的下游部的空气进行稀释以进行的热量均匀、平均化控制更加容易进行。上述热量检测装置设置于低热量气体供给通路上，但是在低热量气体供给通路上设置第1容器和下述第2容器的设备中，该容器也构成低热量气体供给通路，因此也包括将热量检测装置安装于上述容器上的情况。
最好是低热量气体供给设备在所述低热量气体供给通路上配设暂时贮存低热量气体的第2容器，在低热量气体供给通路与所述第2容器之间，配设将低热量气体从低热量气体供给通路送入第2容器的气体入口通路、以及将低热量气体从第2容器送回低热量气体供给通路的出口通路，在所述入口通路上配设将低热量气体向第2容器压送的第1气体压送装置。因为起着与上述第1容器相同的作用。
还有，也可以上述第1容器和第2容器都是内部容积不变化的固定形式的容器，还可以是在已有的燃气轮机设备等中作为监视气体的供需平衡的装置使用的内部容积变动形式的容器。所谓内部容积变动形式的容器，是具有能够根据容器的内压上下移动的气密安装的盖构件的容器，通过利用驱动装置主动使盖构件上下移动，从而能够使平衡效果达到最大的，能够选择容积的容器。
最好是低热量气体供给设备在上述低热量气体供给通路上配设使提供的低热量气体的一部分返回该低热量气体供给通路的上游侧的返回通路，在该返回通路上配设将低热量气体向低热量气体供给通路的上游侧压送的第2气体压送装置。因为能够起与上述第1容器相同的作用。
最好是低热量气体供给设备具备在所述空气供给通路上配设的，能够切断和开通该通路的空气切断装置、以及配设于该空气切断装置的上游侧的空气放出装置。作为空气切断装置，可以采用例如断流阀或流量调整阀等。
最好是低热量气体供给设备具备在所述不活泼气体供给通路上配设的，能够切断和开通该通路的不活泼气体切断装置、以及在该不活泼气体切断装置的上游侧配设的不活泼气体放出装置。作为不活泼气体切断装置，可以采用例如断流阀或流量调整阀等。也可以是到所述低热量气体供给通路的不活泼气体供给通路的一部分构成与上述空气供给通路共同的通路，而且在配设空气切断装置与空气发出装置的情况下，也可以具备不活泼气体切断装置与空气切断装置兼用的一个切断装置，又可以具备不活泼气体发出装置与空气发出装置兼用的一个发出装置。
本发明的燃气轮机设备具备燃气轮机、以及对该燃气轮机提供低热量气体作为燃料气体用的低热量气体供给设备，该低热量气体供给设备就是上面所述中的任一低热量气体供给设备。
本发明的用作燃气轮机燃料的低热量气体的热量上升的抑制方法包含
测定作为燃料气体提供给燃气轮机的低热量气体的热量的热量测量步骤、以及
在该测量结果超过设定的允许的热量值时，将稀释用的空气混入上述低热量气体中的混入空气的步骤.
最好是热量上升抑制方法的所述混入空气的步骤包含测量低热量气体与空气的混合气体的氧浓度的步骤、以及调整空气混合量，使该测量结果不超过从低热量气体的可燃界限信息得到的允许设定的空气含有率的步骤。
又，最好是热量上升抑制方法，还包含在判断为即使最大限度提供空气上述热量测量结果也低于允许设定的热量值时，将不活泼气体混入低热量气体中的步骤。
而且最好是变化调整空气混合量的热量上升抑制方法中，还包含在判断为如果减少空气混入量则上述混合气体的热量超过允许设定的热量值，如果使其增大，则超过允许设定的空气含有率时，使空气混入量减少，同时将不活泼气体提供给低热量气体的步骤。
本发明的另一种低热量气体供给设备，
具备将低热量气体作为燃料气体提供用的低热量气体供给通路、以及
设置于所述低热量气体供给通路上，暂时贮存低热量气体的容器；
该容器具有气体从低热量气体供给通路流入容器内用的入口和气体从容器向低热量气体供给通路流出的出口。
可以在所述入口上连接低热量气体供给通路的上游侧，在出口上连接低热量气体供给通路的下游侧。
又可以在低热量气体供给通路与所述容器之间，配设将低热量气体从低热量气体供给通路通过所述入口送入容器的气体入口通路和将低热量气体从容器通过所述出口送回低热量气体供给通路的出口通路；在所述入口通路上配设将低热量气体向容器压送的气体压送装置。
在上述容器的入口和出口分别连接低热量气体供给通路的上游侧和下游侧的低热量气体供给设备中，可以在所述容器上游侧的低热量气体供给通路与容器下游侧的低热量气体供给通路之间连接返回通路；在该返回通路上设置将燃料气体向容器上游侧的低热量气体供给通路压送的气体压送装置。
在具有连接上述低热量气体供给通路和容器的入口通路和出口通路的低热量气体供给设备中，可以在所述低热量气体供给通路的与出口通路的连接点的下游侧与低热量气体供给通路的与入口通路的连接点的上游侧之间，连接返回通路；在该返回通路上设置将燃料气体向上游侧低热量气体供给通路压送的气体压送装置。
最好是在所述容器内部设置搅拌气体用的搅拌装置。
本发明的另一种低热量气体供给设备，具备将低热量气体作为燃料气体提供用的低热量气体供给通路、以及在所述低热量气体供给通路的上游部分与下游部分之间连接的返回通路，
在该返回通路上设置将流过低热量气体供给通路的气体的一部分从低热量气体供给通路的下游部分向上游部分压送的气体压送装置。
如果采用本发明，将像工艺的气体副产品那样热量会变动的低热量气体提供给蒸汽轮机的设备可以以低廉的设备成本和运行成本实现。因为为了抑制能够作为燃料气体使用的低热量气体的热量上升，容易得到大量的含有大量而且一定量的氮气的空气。
附图说明
图1是表示包含本发明一实施形态、即低热量气体供给设备的燃气轮机发电设备的大概情况的配管图。
图2是表示低热量气体与空气的混合气体的可燃界限的曲线图，横轴表示低热量气体的体积比例，纵轴表示温度。
图3表示借助于通过图1中的缓冲容器，缓和低热量气体的热量变动的状态的一个例子的曲线图。
图4表示借助于通过缓冲容器，缓和低热量气体的热量变动的状态的另一例子的曲线图。
图5表示借助于通过缓冲容器，缓和低热量气体的热量变动的状态的又一例子的曲线图。
图6是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的另一例子的配管图。
图7是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的又一例子的配管图。
图8是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的再一例子的配管图。
图9表示借助于通过图7或图8的缓冲容器，缓和低热量气体的热量变动的状态的一个例子的曲线图。
图10是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的热量变动抑制手段的另一例子的配管图。
图11是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的又再一个例子的配管图。
图12是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的又再一个例子的配管图。
图13是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的又再一个例子的配管图。
图14是表示可以在图1的燃气轮机发电设备中设置的缓冲容器的又再一个例子的配管图。
符号说明
1......低热量气体供给设备
2......燃气轮机
3......低热量气体供给配管
4......空气供给配管
5......氮气供给配管
6......第1混合器
7......第2混合器
8......稀释气体供给配管
9......集尘装置
10......缓冲容器
11......卡路里计
12......流量计
13......混合气体供给配管
14......卡路里计
15......氧浓度计
16......低压压缩机
17......高压压缩机
18......冷却器
19......燃烧器
20......流量调整阀
21......过滤器
22......发电机
23......过滤器
24......风扇
25......单向阀
26......断流阀
27......流量计
28......流量调整阀
29......空气放出管
30......流量调整阀
31......断流阀
32......流量计
33......流量调整阀
34......断流阀
35......单向阀
36......联络管
37......流量计
38......流量调整阀
39......风扇
40......气体量平衡监视装置
41......连通管(出口配管)
42......容器
43......盖构件
44......调整用重锤
45......(上游侧)入口配管
46......气体量平衡监视装置
46a......容器
47......压力检测装置
48......返回配管
49......风扇
50......控制装置
51......搅拌装置
52......(下游侧)入口配管
53......返回配管
S......直接还原制铁设备
具体实施方式
下面参照附图对本发明的低热量气体供给设备、具备该设备的燃气轮机设备、以及抑制燃气轮机燃料用的低热量气体的热量上升的方法的实施形态进行说明。
图1是表示包含本发明一实施形态、即低热量气体供给设备1的燃气轮机设备的大概情况的配管图。作为燃气轮机设备，表示燃气轮机发电设备的一个例子。如上所述，将低热量气体定义为其热量为约12MJ/Nm3以下的气体。低热量气体往往其热量等特性会有变动。
这种低热量气体供给设备1具备将直接还原铁设备S发生的气体副产品(以下称为“低热量气体”)作为燃料提供给燃气轮机2的低热量气体供给配管3、为将这种低热量气体稀释将空气提供给低热量气体供给配管3用的空气供给配管4、以及将不活泼气体提供给低热量气体供给配管3用的不活泼气体供给配管5。设置对这种低热量气体供给设备1的动作进行控制用的控制装置50。在本实施形态中，不活泼气体使用氮气，因此将这种不活泼气体供给配管称为氮气供给配管5。不活泼气体不限于氮气，也可以使用二氧化碳或氦气等。
在本实施形态中，空气供给配管4和氮气供给配管5连接于第2混合器7，从第2混合器7到低热量气体供给配管3为止连接空气与氮气的共同配管。这种共同配管称为稀释气体供给配管8。这种稀释气体供给配管8借助于第1混合器6连接于低热量气体供给设备1上。将空气供给配管4与氮气供给配管5不合流地分别直接连接于第1混合器6也可以，但是为了降低设备成本，最好是如图所示，将4、5预先连接。又可以不使用第2混合器7，直接将空气供给配管4与氮气供给配管5相互加以连接。但是，为了能够在第1混合器6更好混合气体副产品与稀释气体，最好是预先将稀释用的空气与氮气均匀混合，然后将均匀混合的混合气体送到第1混合器6，因此在其间连接第2混合器7是理想的。
在上升低热量气体供给配管3的第1混合器6的上游部分，设置对直接还原制铁设备S送来的低热量气体进行除尘用的集尘装置9、以及暂时贮存低热量气体用的缓冲容器10。缓冲容器10的容积大，热量时时刻刻发生变动的滞留的低热量气体在该缓冲容器10的内部混合。其效果将在下面下述。在缓冲容器10的下游侧设置对低热量气体的热量进行检测用的热量检测装置11和测量流量用的流量计12。该流量计12的设置位置不限于第1混合器6的上游侧。也可以是第1混合器6的下游侧。例如也可以设置于下述高压压缩机17与燃烧器19之间。
热量检测装置11的设置位置不限于缓冲容器10的下游侧.例如也可以设置于缓冲容器10的上游侧.通过在缓冲容器10的上游侧事先检测出气体的热量变动，能够更可靠地使用第1混合器6进行热量控制.而且在缓冲容器10的上游侧同时还有下游侧也设置热量检测装置，利用两热量检测装置监视缓冲容器10的气体热量变动抑制效果，从而能够把握缓冲容器10的兼有气体混合作用的作为热量变动抑制系统的综合性能.该热量检测装置也可以直接安装于缓冲容器10.除了低热量气体供给配管3的上述热量检测装置11外，也可以在缓冲容器10上安装别的热量检测装置.
在这里热量检测装置11采用直接测量气体的热量的所谓卡路里计、测量可燃成分的含有率(浓度)的装置等。上述热量检测装置11也可以直接安装于缓冲容器10。除了低热量气体供给配管3上的热量检测装置11外，还可以在缓冲容器10上安装别的热量检测装置。在重视检测速度的情况下，当前采用可燃性气体浓度检测器，这是理想的。也可以采用根据使用的低热量气体主要包含的可燃成分的种类和产生主要的浓度变动的可燃成分(例如直接还原制铁法的气体副产品中的一氧化碳)检测其成分的浓度的浓度检测器。在本说明书中，将这些热量检测器都称为“卡路里计”。
低热量气体供给配管3的第1混合器6下游的部分，由于通过该处将低热量气体以与空气和氮气混合的状态送到燃气轮机2，因此该范围的配管被称为混合气体供给配管13。混合气体供给配管13上设置卡路里计14和测量混合气体中的氧浓度用的氧浓度计15。在氧浓度计15的下游侧依序设置燃气轮机2的低压燃料气体压缩机(以下称为低压压缩机)16和高压燃料气体压缩机(以下称为高压压缩机)17。两压缩机16、17之间配设对作为燃料气体的混合气体进行冷却用的冷却器18。从高压压缩机17连接到燃气轮机2的燃烧器19上的燃料配管13a上设置调整燃气轮机输出用的流量调整阀20。符号21表示对燃料器19提供空气的配管上配设的过滤器。燃气轮机2上连接发电机22。
图1表示两个压缩机16、17都利用燃气轮机2旋转驱动的类型的设备，但是不限于此，也可以两个压缩机16、17不与燃气轮机2同轴连接，而形成利用专用的电动机驱动的机构。又可以在燃气轮机2上设置利用其排气进行发电的排热回收锅炉发电设备等(未图示)。
下面对空气的供给设备进行说明。在空气供给配管4上，在从外部取入空气的入口上设置过滤器23。空气供给配管4的过滤器23下游部分有分叉，从外部吸入空气压送到空气供给配管4内用的作为驱动源的风扇24，为了维修保养的方便，并列设置两台。在各风扇24的下游侧配设防止向风扇24一侧逆向流动用的单向阀25。空气供给配管4在两个单向阀25的下游侧再度合二为一。在其下游部分，依序设置断流阀26、流量计27以及流量调整阀28，并连接于第2混合器7。在空气供给配管4的上述断流阀26与流量计27之间配设将空气放入大气用的空气放出配管29。该空气放出配管29上设置流量调整阀30。
下面对氮气供给设备进行说明。氮气供给配管5从上游侧起依序具有断流阀31、流量计32、以及流量调整阀33，连接于第2混合器7。从第2混合器7到第1混合器6的稀释气体供给配管8上从其上游侧依序设置断流阀34和单向阀35。单向阀35用于防止低热量气体向稀释气体供给配管8逆向流动。在该稀释气体供给配管8的断流阀34的上游侧部分与上述空气放出配管29的流量调整阀30的下游侧部分之间，为了通过空气放出配管29将空气与氮气的混合气体放入大气，连接联络管36。该联络管36上设置流量计37和流量调整阀38。空气供给配管4和氮气供给配管5以不同的配管分别延伸第1混合器6的情况下，在各配管4、5上分别设置断流阀和单向阀，去除联络管36。代之以在氮气供给配管5的断流阀31和流量计32之间设置具备流量调整阀的氮气放出配管。
下面对利用控制装置50对该设备的运行进行控制的一个例子进行说明。首先，一边对低热量气体供给配管3的卡路里计11和流量计12进行监视一边将低热量气体向燃气轮机2压送。这时在空气供给配管4上已经打开其断流阀26，关闭流量调整阀28，关闭联络管36的流量调整阀38，打开空气放出配管29的流量调整阀30，在这一状态下风扇24工作。也就是说吸入空气，从空气放出配管29向大气放出。氮气供给配管5的流量调整阀33关闭着。其他断流阀31、34一起开着。
控制装置50上设定各燃气轮机2的燃料气体使用的允许热量范围。也就是基准热量值(例如1600kcal/Nm3)和变动幅度(例如基准热量值的±10％)。而且在上述低热量气体的热量值超过该允许变动的上限热量值(例如+10％，1760kcal/Nm3)时，将空气放出配管29的流量调整阀30向闭阀方向调整，使空气供给配管4的流量调整阀28打开。以此在低热量气体中混合空气，使热量值降低到允许范围内。在提供空气时和下述氮气提供时，对上述卡路里计11和流量计12进行监视，同时为了判断最后的热量值是否正确，对混合气体供给配管13的卡路里计14进行监视。提供空气时，如下所述利用低热量气体供给配管3的氧浓度计15监视燃料气体的氧浓度。
根据混合气体供给配管13的卡路里计14的测量结果，判断为即使最大限度提供空气，热量值也还是不能在允许范围内时，一边监视氮气供给配管5的流量计32，一边打开流量调整阀33进行调整，以此在低热量气体中混合氮气使热量值降低到允许范围内。这时也一边对混合气体供给配管13的流量计15进行监视一边将空气放出配管29的流量调整阀30向开阀方向调整，放出空气，使其混合量减少。如上所述进行，防止低热量气体的热量值超过允许的上限值。
下面对从稀释气体供给配管8到空气放出配管29连接联络管36，能够将氮气或氮气与空气的混合气体(稀释气体)向大气放出的结构进行说明。稀释气体的量通常利用流量调整阀28、33进行控制。在低热量气体供给配管3的卡路里计11的检测值急剧减少的情况下，利用该流量调整阀28、33进行控制的情况下，其响应性有可能存在问题。在这样的情况下，利用联络管36的流量调整阀38将稀释气体的一部分放入大气，以此使稀释气体的供应量急剧减少以对应热量值的急剧减少。
在空气中由于包含约21％的氧，因此如果将空气混合于低热量气体，则该混合气体的含氧量(氧浓度)上升。在可燃气体中包含规定比例的氧情况下，在理论上，在规定的温度下该可燃气体进入可燃范围内。陷于这样的状况之前，必须对空气的供给量加以限制。这时还有必要使低热量气体的热量值下降时，如上所述，一边使低热量气体中混合的空气量减少一边提供氮气进行混合。
图2是以低热量气体的体积比例和温度的关系表示低热量气体与空气的混合气体的可燃界限的曲线图.图中左侧的黑圆点连成的曲线表示混合气体的可燃范围中低热量气体的最小体积比例(空气中的最大体积比例).右侧的黑正方形点连成的曲线表示混合气体的可燃范围中低热量气体的最大体积比例(空气的最小体积比例).两曲线中夹着的范围是可燃范围.低热量气体的热量值发生变动，因此上述两曲线也有变动.因此在控制装置50中，根据这样的数据，在考虑安全系数的基础上设定空气的最大允许混合体积比例.例如在图2中所示的空气的体积比例20％(低热量气体的体积比例80％).设定为比右侧的黑正方形点连接的曲线表示的空气的最小体积比例还要小的比例(20％).但是该数值只是一个例子.
而且如果空气的体积比例超过比例如上限值(20％)稍小的例如15％，就如上所述使空气混合量减少，根据需要提供氮气。该控制根据低热量气体供给配管3的流量计12和空气供给配管4的流量计27的检查结果进行。
下面对图1中的缓冲容器10的作用效果进行说明。如图所示，在该缓冲容器10上形成连接上游侧的低热量气体供给配管3的入口10a和连接下游侧的低热量气体配管3的出口10b。因此，送来的低热量气体全部流入该缓冲容器10。在图1的缓冲容器10中，其入口10a和出口10b形成于容器周壁的下端近旁，但是形成在什么地方并没有限定，例如也可以形成于容器周壁的中部、上部、容器的底部等。
该容器的容积大，对于例如直径2～3m左右的低热量气体供给配管3，其容积通常设定为20000～200000m3左右。热量时时刻刻发生变动的送来的低热量气体在容器内进行混合。在这一说明书中所述的容器内的气体混合，意味着所谓时间差的混合。也就是说，同时流入缓冲容器10的低热量气体形成比较早从出口10b流出的部分到在缓冲容器10内滞留到最后的部分的分布。另一方面，由于从入口10a连续不断地有新的气体流入，过去流入的气体与新流入的气体不断混合。这种混合称为时间差混合。这种时间差混合的结果是，从缓冲容器10的出口10b流出去的低热量气体的热量变动幅度变小，变动速度变慢。也就是说，热量变动大大缓和(受到抑制)。这样，在事前使热量变动缓和后，在下游利用空气等进行稀释对热量上升进行抑制的控制变得非常容易。下面参照图3～图8、图11～图14对上述现象进行说明。
图3表示图1中的缓冲容器10的容积采用200000m3时以流量500000Nm3/hr提供热量有变动的低热量气体的情况下的热量变动得到缓和(抑制)的状态的模拟结果的曲线图。横轴表示时间(分)，纵轴表示低热量气体的热量、即卡路里值(kcal/Nm3)。而图中虚线表示的曲线表示送到缓冲容器10来的低热量气体的热量变动(最初变动)。这是实测的样品。实线表示的曲线表示从缓冲容器出去的低热量气体的热量变动(抑制后的变动)。如图所示，进入缓冲容器10之前的低热量气体的热量从最低约1530kcal/Nm3到最高约2360kcal/Nm3变动。也就是说，具有这两个值的平均值(以下简称平均值)(1945kcal/Nm3)的约±21％的变动幅度。根据对缓冲容器10出来的低热量气体的热量变动进行理论计算的结果，是从最低1780kcal/Nm3到最高1960kcal/Nm3，变动幅度被抑制在平均值(1780kcal/Nm3)的约±5％以内。如图所示，对于变动周期，短周期成分和中周期成分也受到大幅度抑制。其效果有对于低热量气体的供给流量，缓冲容器的容积越大越显著的倾向。最初变动的变动幅度小的情况下，从经济性的观点出发，即使将缓冲容器的容积做得小也是有效的。
图4表示低热量气体流量采用500000Nm3/hr不变，缓冲容器10的容积采用上述容器的一半的100000Nm3时的热量变动的衰减状态。在这种情况下的热量变动也由于缓冲容器10而被抑制在1700kcal/Nm3到2040kcal/Nm3的范围内，变动幅度为平均值(1970kcal/Nm3)的约±9％。
图5表示低热量气体以200000Nm3/hr的流量供应的设备中，缓冲容器10的容积采用50000m3时热量变动的衰减状态。在这种情况下的热量变动也被缓冲容器10抑制在1740kcal/Nm3到2010kcal/Nm3的范围内，变动幅度为平均值(1875kcal/Nm3)的约±7.2％。
在(未图示的)低热量气体与上面所述一样以200000Nm3/hr的流量提供的设备中，缓冲容器10的容积采用上面所述的一半的25000m3时，变动幅度为平均值(1875kcal/Nm3)的约±12％。
也可以如图6所示，在低热量气体以200000Nm3/hr的流量供应的设备中，容积25000m3的缓冲容器10并排设置两台，在通常运行时两台都使用，只在定期维修保养或动作不良等非常情况下只使用一个容器。
这样，只具备缓冲容器，不进行积极控制就能够在很大的程度上抑制低热量气体的热量变动。其结果是，在下游将空气与不活泼气体混合控制非常容易进行。如果是在燃气轮机2的燃料气体的热量变动幅度设定为基准热量值(平均值)的±10％的情况下，在缓冲容器的下游，为了使变动的热量平均值与在燃气轮机2设定的基准热量值一致，具备能够适合其规格的容积的缓冲容器，只要在下游侧提供一定比例的空气即可。关于空气是供给动作，不必考虑低热量气体的热量变动状态。
在极端情况下，通过缓冲容器10后的低热量气体的变动的热量的平均值如果与燃气轮机2设定的基准热量值大致一致，则不需要空气供给设备和不活泼气体供给设备。即使是设置两个设备的情况下，只要在将图1的稀释气体供给配管8的断流阀34关闭的状态下使设备运行即可。当然，在发生的低热量气体的热量变动本来不大的情况下，没有必要设置缓冲容器，只用空气供给设备和不活泼气体供给设备就能够充分应对。
图7表示另一缓冲容器42。该缓冲容器42有时候也使用于已有的燃气轮机设备，也包含于监视气体量平衡的装置40中。该气体量平衡监视装置40是为取得上游侧送来的低热量气体量与燃气轮机需要的气体消耗量的平衡用的装置。在供给气体量的变动和燃气轮机的负载变动存在的情况下，有必要取得供给量与消耗量的之间的平衡。供给量有超过预想的过剩时，采取放入大气中的方法，供应不足时使燃气轮机的负载减小，或部分停止运行。
该气体量平衡监视装置40具备借助于连通管41与低热量气体供给配管3连接的容器42、能够气密地关闭容器42的上端开口而且能够在容器内部上下移动地设置的盖构件43、以及例如盖构件43上设置的调整用重锤44。盖构件43借助于自重和上述重锤44的重量以及大气压的向下压力的总和与容器42的内压产生的向上压力的平衡在容器内上下运动。因此盖构件43随着低热量气体的供给量与消耗量的平衡的变化而上下运动。一边对该盖构件43的上下运动进行监视一边采取将气体向大气中排放或减小燃气轮机负荷等措施。
该气体量平衡监视装置40是为了抑制热量变动而使用的。在该容器42上除了上述连通管41外，新连接与低热量气体供给配管3连通的路口配管45。在该入口配管45上设置将低热量气体送入容器42的风扇39。入口配管45利用连通管41连接于低热量气体供给配管3的上游侧，因此借助于考虑压力损失的配管设计，上述风扇39也可以省略。这对于图8和图12所示的上游侧入口配管45也相同。所提供的低热量气体的一部分通过入口配管45流入容器42，在容器42内低热量气体进行混合，相同量的气体供给上述连通管41从容器42返回低热量气体供给配管3。在这种情况下，上述连通管41也可以称为出口配管。该缓冲容器42连接于构成低热量气体供给配管3的旁路配管的入口配管45和出口配管41上，换句话说，相对于低热量气体供给配管3并列设置。
图8表示能够作为热量变动抑制手段使用的另一种气体量平衡监视装置46。这种气体量平衡监视装置46采取更加经济的结构，具有利用连通管41与低热量气体供给配管3连通的气密结构的容器46a。容器46a上设置压力检测装置47，容器46a的内压经常受到监视。控制装置50在检测压力达到上限区域时发出增加设备内的气体消耗量的指令，以求气体的供需平衡。其他结构与上述装置40(图7)相同，可以作为热量变动抑制手段充分利用。
图9表示在热量变动的低热量气体以500000Nm3/hr的流量提供的设备中，图7或图8中的容器42(46a)的容积采用200000m3，利用上述风扇39将500000Nm3/hr的流量中的200000Nm3/hr的气体送入容器42(46a)的情况下的热量变动的缓和状态。图中虚线表示的曲线表示从直接还原铁设备S送来的低热量气体的热量变动(最初变动)。这是上述的实测试样。以二点锁线表示的曲线表示从容器42出来，通过上述连通管41的低热量气体的热量变动(过渡变动)的模拟结果。实线所示的曲线表示从连通管41通过下游侧的低热量气体供给配管3的部分到达第1混合器6的气体的热量变动(抑制后变动)。与上面所述相同，进入容器42(46a)之前的低热量气体的热量具有平均值(1945kcal/Nm3)的约±21％的变动幅度。但是从容器42(46a)通过连通管41与低热量气体供给配管3合流后的气体的热量变动是从1690kcal/Nm3到2100kcal/Nm3，变动幅度被抑制在平均值(1895kcal/Nm3)的约±11％以内。该数值是一个例子。
这样，利用具有容器42(46a)的已有设备对气体热量的变动进行抑制也是可能的。而且在下游侧容易利用空气对低热量气体进行稀释。还有，在图7和图8中，将低热量气体送入容器42(46a)的入口配管45，连接于低热量气体供给配管3的出口配管41的上游侧，但是并不特别限于这种结构，也可以连接于出口配管41的下游侧。又，两配管41、45都设置多支。
图10表示另一热量变动抑制手段。该手段在低热量气体供给配管3上配设的，使低热量气体的一部分返回低热量气体供给配管3的上游侧用的返回配管48。该返回配管48上设置将低热量气体向上游侧压送的风扇49。图示的返回配管48形成从一个地方的吸引部分叉为多条支管48a后返回原来的低热量气体供给配管3的结构，但是也可以由一支返回配管构成。又可以在低热量气体供给配管3的不同的多个部位上分别设置一支返回配管。即使是用这样的手段，低热量气体在返回低热量气体供给配管3的上游时与新的低热量气体混合，缓和热量变动。为了增大这种作用，将返回配管48的长度加长，加大返回气体量相对于供给气体量的体积比例即可。
虽没有图示也可以采用将与图7所示相同的气体量平衡监视装置40用的缓冲容器42替换为图1中的内部容积固定型的缓冲容器的形态。也就是说，图7的缓冲容器42连接于构成低热量气体供给配管3的旁路配管的入口配管45和连通管41上，但是也可以将该缓冲容器42直接连接于低热量气体供给配管3。具体地说，也可以在缓冲容器42上形成的入口上直接连接低热量气体供给配管3的上游侧，在出口上直接连接低热量气体供给配管3的上游侧。
图11表示与上述配管形态实质上相同的配管的形态.图11的缓冲容器42是与图7所示相同的气体量平衡监视装置40用的缓冲容器42.不同点是与低热量气体供给配管3连接的配管的形态.图11的配管的形态是，去除图7的低热量气体供给配管3的，从与入口配管45的连结部到与连通管41的连结部为止的部分，在去除入口配管45上的风扇39的形态.也就是说，在入口42a上连接上游侧的低热量气体供给配管3，在出口42b连接下游侧的低热量气体供给配管3.换句话说，将图1所示的缓冲容器10替换为气体量平衡监视装置40用的容器42.这样的配管是将已有的气体量平衡监视装置40兼用作气体热量的变动抑制装置时容易改造的形态.
还有，如图所示，为了对气体进行搅拌，也可以在该容器42内部设置风扇等搅拌装置51。这是为了以此促进容器内的气体的混合，借助于此，更有效地抑制热量变动。作为搅拌装置51的设置形态，以能够使气体从容器的出口42b的近旁向容器内部流动的姿势设置于出口42b的近旁，这从气体有效混合的观点看来是理想的。这种搅拌装置51不限于在图11的容器42中设置，也可以对其他附图所示的容器10、42、46a或能够发挥热量抑制效果的其他容器设置。还有，作为搅拌装置51的旋转驱动设备的电动机51a等设置在容器外部是理想的。
图12也表示与图7的容器一样相对于低热量气体供给配管3并列设置的缓冲容器42。如图所示，在容器42的出口42b和低热量气体供给配管3之间连接出口配管41，在容器42的入口42a与低热量气体供给配管3的出口配管41的连接部的上游侧之间，设置入口配管45。因此，将该入口配管45称为上游侧入口配管。另一方面，在该容器42上形成另一入口52a，在该入口52a上，连接与低热量气体供给配管3的出口配管41的连结部的下游侧上连接的入口配管52。该入口配管52被称为下游侧入口配管52。两个入口配管45、52上设置将低热量气体送入容器42的风扇39。如图所示，上游侧入口配管45和下游侧入口配管52在容器42上的连接位置(入口42a、52a)相互接近。
如果采用该结构，低热量气体的一部分从低热量气体供给配管3的上游侧通过上游侧入口配管45被压送到容器42，同时，低热量气体的一部分从低热量气体供给配管3的下游侧通过下游侧入口配管52被压送到容器42，混合后从出口42b向出口配管41流出。也就是说，热量变动受到抑制的低热量气体的一部分发生循环，因此在容器内实现了长时间的混合。下游侧入口配管52的长度越长，混合的气体逗留的时间就变得越长，就能够实现更理想的混合。上述下游侧入口配管52从低热量气体供给配管3的下游侧连接到容器42的入口52a，但是也可以从下游侧连接到低热量气体供给配管3的与上游侧供给配管45的连接部的上游侧。
图13也表示相对于低热量气体供给配管3并排设置的缓冲容器42。如图所示，在容器42与低热量气体供给配管3之间连接着作为出口配管的上述连通管41和下游侧入口配管52。该下游侧入口配管52上设置将低热量气体送往容器42的风扇39。
如果采用这样的结构，即使是下游侧入口配管52连接于与低热量气体供给配管3的出口配管41的连接部下游侧，低热量气体也能够通过风扇39下游侧的入口配管52被送入容器42内，混合后从出口42b流出到出口配管41。也就是说，热量变动受到抑制的低热量气体的一部分发生循环，因此能够进行有效混合。而且上述下游侧入口配管52的长度越长，在容器内就能够以越长的时间混合。
图14所示的容器42具有两种入口42a、53a.在一入口42a上连接上游侧低热量气体供给配管3，在出口42b上连接下游侧低热量气体供给配管3，而且在另一入口53a上连接与下游侧低热量气体供给配管3连接的返回配管53.两个入口42a、53a形成在相互接近的位置上.返回配管53上设置将低热量气体送到容器用的风扇39.
如果采用这样的结构，则在容器42中热量变动受到抑制的低热量气体的一部分再度返回容器42再度混合，因此能够实现更理想的混合。返回配管53的长度越长，被混合的气体的滞留的时间越长。上述返回配管53从低热量气体供给配管3的下游侧连接于容器42的入口53a，但是也可以从下游侧连接于低热量气体供给配管3的容器的上游侧。
以上说明的实施形态中，以使用的低热量气体为直接还原制铁法发生的气体副产品为例，但是并不限于此。作为低热量气体有高炉气(BFG)、转炉气(LDG)、煤层中含有的煤层气体(Coal mine gas，简称CMG)、熔融还原制铁法发生的气体副产品、GTL(Gas-to-Liquid)工艺中发生的尾气、从油砂精制油的工艺中伴生的气体副产品，用等离子体进行垃圾焚烧发生的气体，包含含有水分的垃圾的一般废弃物在其掩埋地发酵分解过程中产生的甲烷气体(填埋气体)以及其他类似的原料发生化学反应伴随发生的气体副产品等低热量气体。当然，不用说将上述气体单独使用，也包含像BFG与LDG的混合气体那样将多种不同种类的气体混合，结果其热量低于约12MJ/Nm3的气体。
工业应用性
如果采用本发明，这种热量时时刻刻发生变化的低热量气体利用无穷无尽而且容易得到的气体稀释，这样能够抑制燃烧温度的异常上升使其进行持续稳定的燃烧。也就是说，能够利用低廉的设备成本和运行成本得到上述效果。
Claims (14)
1.一种低热量气体供给设备，其特征在于，具备
将低热量气体作为燃料气体提供给燃气轮机用的低热量气体供给通路、
连接于该低热量气体供给通路上的，向低热量气体供给通路提供空气用的空气供给通路、
配设于所述低热量气体供给通路上的，检测气体中的热量用的热量检测装置、以及
根据该热量检测装置的检测结果，能够控制空气供给通路的空气供给动作的控制装置
所述低热量气体供给通路的与空气供给通路连接的连接部的下游侧的部位上，配设氧浓度检测装置，
所述控制装置形成根据氧浓度检测装置的检测结果能够控制空气供给通路的空气供给动作的结构。
2.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
所述控制装置形成能够设定燃气轮机的燃料气体的最大允许热量值，在低热量气体的热量值超过该最大允许热量设定值时，从空气供给通路提供空气的结构。
3.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
所述控制装置形成能够以根据从低热量气体与空气的混合比得到的低热量气体的可燃界限信息设定的空气的允许混合体积比例为基准，控制空气供给通路的空气供给量的结构。
4.根据权利要求1或3所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
在所述低热量气体供给通路上连接提供不活泼气体用的不活泼气体供给通路，
所述控制装置形成能够根据氧浓度检测装置的检测结果，控制不活泼气体供给通路的不活泼气体供给动作的结构。
5.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
在所述低热量气体供给通路上连接提供不活泼气体用的不活泼气体供给通路，
所述控制装置形成能够在利用空气供给通路对低热量气体供给通路供给空气的状态下，根据热量检测装置的检测结果控制不活泼气体供给通路的不活泼气体供给动作的结构。
6.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
在所述低热量气体供给通路上配设暂时贮存低热量气体的第1容器，
该第1容器具有入口和出口，在入口上连接低热量气体的供给通路的上游侧，在出口上连接低热量气体供给通路的下游侧。
7.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
在所述低热量气体供给通路上配设暂时贮存低热量气体的第2容器，
在低热量气体供给通路与所述第2容器之间，配设将低热量气体从低热量气体供给通路送入第2容器的气体入口通路、以及将低热量气体从第2容器送回低热量气体供给通路的出口通路，
在所述入口通路上配设将低热量气体向第2容器压送的第1气体压送装置。
8.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
在上述低热量气体供给通路上配设使提供的低热量气体的一部分返回该低热量气体供给通路的上游侧的返回通路，在该返回通路上配设将低热量气体向低热量气体供给通路的上游侧压送的第2气体压送装置.
9.根据权利要求1所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
具备在所述空气供给通路上配设的，能够切断和开通该通路的空气切断装置、以及配设于该空气切断装置的上游侧的空气放出装置。
10.根据权利要求4所述的低热量气体供给设备，其特征在于，
具备在所述不活泼气体供给通路上配设的，能够切断和开通该通路的不活泼气体切断装置、以及在该不活泼气体切断装置的上游侧配设的不活泼气体放出装置。
11.一种燃气轮机设备，其特征在于，
具备燃气轮机、以及
对该燃气轮机提供低热量气体作为燃料气体用的低热量气体供给设备，
该低热量气体供给设备就是权利要求1～10中的任一项所述的低热量气体供给设备。
12.一种用作燃气轮机燃料的低热量气体的热量上升抑制方法，其特征在于，包含
测定作为燃料气体提供给燃气轮机的低热量气体的热量的热量测量步骤、以及
在该测量结果超过设定的允许的热量值时，将稀释用的空气混入上述低热量气体中的混入空气的步骤，
所述混入空气的步骤包含测量低热量气体与空气的混合气体的氧浓度的步骤、以及
调整空气混合量，使该测量结果不超过从低热量气体的可燃界限信息得到的允许设定的空气含有率的步骤。
13.根据权利要求12所述的热量上升抑制方法，其特征在于，
还包含在判断为即使最大限度提供空气上述热量测量结果也不低于允许设定的热量值时，将不活泼气体混入低热量气体中的步骤。
14.根据权利要求12所述的热量上升抑制方法，其特征在于，
还包含在判断为如果减少空气混入量则上述混合气体的热量超过允许设定的热量值，如果使其增大，则超过允许设定的空气含有率时，使空气混入量减少，同时将不活泼气体提供给低热量气体的步骤。
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