CN105143638B - 气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法 - Google Patents

气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的IGCC设备具备：从空气分离氧气和氮气的ASU、利用氧化剂使煤炭气化的煤气化炉、及通过由煤气化炉生成的气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机。IGCC设备的控制装置(50)具备空气分离量确定部(52)，其根据IGCC设备的运转负荷确定由ASU制造的氮气的制造量，并将对应于已确定的氮气的制造量而次生的全部氧气供给到煤气化炉。由此，IGCC设备能够将从空气中制造的氧气的放气限制为最小。

Description

气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的 控制方法
技术领域
本发明涉及一种气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法。
背景技术
以往，例如，为了提高煤炭火力设备的发电效率，研发并实用有煤气化复合发电(IGCC；Integrated Gasification Combined Cycle)设备。该IGCC设备构成为具备：燃气轮机，将通过气体精制设备将在气化炉使煤炭气化而得到的生成气体精制而得到的可燃性气体作为燃料进行运转；蒸汽轮机，通过回收燃气轮机的废热而得到的蒸汽而进行运转。
专利文献1中公开有一种煤气化发电设备，该煤气化发电设备中，使用由氧气制造装置制造的氧气或富含氧空气使煤炭气化，并且通过燃气轮机进行发电，其中，氧气制造装置利用沸点的不同分馏空气中的氮气和氧气。
并且，如专利文献2的公开，还有在煤气化炉的下部设置炉渣熔融燃烧嘴的装置。通常，煤气化炉的燃烧器内的温度维持在煤炭中的灰分的熔融温度以上，但是，根据运转状态或煤炭特性的波动，存在煤炭中的灰分暂时成为排出不良的情况。该情况下，通过设置在炉渣排出口下部的炉渣熔融燃烧嘴使炉渣熔融。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开平11-22485号公报
专利文献2：日本专利公开2010-91193号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
在将用氮气输送的煤粉作为燃料向煤气化炉供给的射流床气化炉中，对氧化剂的供应量进行反馈控制(氧气浓度恒定控制)，以使氧气浓度相对于规定投入到气化炉的热量输入的参数即气化炉输入指令(GID；Gasifier Input Demand)恒定(参照图12)。另外，这里的氧气浓度是指在供给到煤气化炉的燃烧器部的空气及氧气等氧化剂和搬送用氮气等所代表的惰性气体的气体总量中所占的氧气浓度。
尤其，在进行吹气的IGCC设备中，将从燃气轮机所具有的压缩机抽出的空气在空气升压器中再次加压后用作向煤气化炉供给的空气，氧气使用在空气分离设备(ASU)中制造氮气时次生的氧气。并且，为了根据煤气化炉的负荷情况增减供给到煤气化炉的氧化剂流量，进行如图13所示的控制。
在此，计算氧气浓度时必要的氮气量(煤粉搬送用氮气)由于无法高精度地计测，因而根据各种状态量进行计算，但是计算出的氮气量随着各种状态量的变动而变动。若以使投入到气化炉的气体中的氧气浓度恒定的方式进行控制，则随着氮气量的变动，空气流量及氧气流量等氧化剂流量的指令值也会变动。
并且，将从燃气轮机抽出的空气在空气升压器中再次加压而使用的上述空气流量可以根据空气升压器所具有的IGV的开闭调整而比较容易地进行调整。另一方面，基于深冷分离方式等的空气分离设备的响应速度较慢，因此需要预先考虑氧气流量指令值的变动量而以使氧气及氮气始终放气的状态进行运转。
另外，在熔融炉渣的排出性因气化炉的状态量或煤炭性质的变动而恶化的情况下，炉渣熔融燃烧器用于进行加热而改善排出性。
在煤气化炉的下部设置有炉渣熔融燃烧嘴的装置中，熔融炉渣需要高温，因此使用在空气分离设备中制造的氧气。在这种装置中，由于炉渣熔融燃烧器的使用时期难以预测，因而需要始终使与炉渣熔融燃烧器所使用的氧气流量相当的量放气，成为空气分离设备的动力增加的原因。
并且，考虑到上述控制，为了应对消耗侧的变动，始终以将剩余氧气及氮气放气的状态进行运转，成为动力损失的一个原因。
并且，在IGCC设备根据发电输出指令(MWD；Mega Watt Dmand)进行运转的情况下，根据与GID相关的煤炭流量或氧化剂流量进行控制，以使煤气化炉的出口压力维持在设定值。然而，GID也经常变动，这也成为氧气流量发生变动的一个原因。
本发明鉴于上述问题而作出，其目的在于提供一种能够将从空气中制造的氧气的放气限制为最小的气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述问题，本发明的气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法采用如下方法。
本发明的第1实施方式涉及一种气化发电设备的控制装置，该气化发电设备具备：从空气分离氧气和氮气的空气分离装置、将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、及通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机，该气化发电设备的控制装置具备空气分离量确定部，其根据所述气化发电设备的运转负荷确定由所述空气分离装置制造的所述氮气的制造量，并且，将对应于由所述空气分离量确定部确定的所述氮气的制造量而次生的全部氧气供给到所述气化炉。
根据本发明，气化发电设备具备：从空气分离氧气和氮气的空气分离装置、将氧气作为氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、及通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机。含碳燃料例如为煤炭。
供给到气化炉的含碳燃料的量根据气化发电设备的运转负荷得到规定，而且需要用于搬送规定的含碳燃料量的氮气。并且，通过空气分离装置，与搬送用的氮气一同从空气中制造氧气。
以往，由空气分离装置制造出的氮气为了应对消耗侧的变动而与氧气一同过多地制造出，而剩余的氮气及氧气则被放气。
因此，通过上述空气分离量确定部，根据气化发电设备的运转负荷确定由空气分离装置制造的氮气的制造量，并且，将对应于氮气的制造量而次生的全部氧气供给到气化炉。
由此，不会过多地与氮气一同制造氧气，而次生的氧气的全部量供给到气化炉，因此，本发明能够将从空气中制造出的氧气的放气限制为最小。
上述第1实施方式中，优选通过从所述燃气轮机抽取的空气量调整供给到所述气化炉的氧化剂的总量。
根据本发明，即使由空气分离装置制造出的氧气量较少，通过从燃气轮机向气化炉抽出空气，无需对供给到气化炉的气体中的氧气浓度进行控制，即可向气化炉供给满足在气化炉中消耗的氧气量的氧气。
在上述第1实施方式中，优选将所述气化发电设备的运转负荷设为对所述气化发电设备的输出指令值。
根据本发明，根据对气化发电设备的输出指令值，确定氮气的制造量。由此，能够唯一确定氧气的制造量。由于输出指令值与规定投入到气化炉的热量输入的参数即气化炉输入指令值相比表示更为稳定的值，因此能够使氮气和氧气的制造量更加稳定。
在上述第1实施方式中，优选所述气化炉具备使气化炉内的炉渣熔融的炉渣熔融燃烧嘴，在使用所述炉渣熔融燃烧嘴时，所述空气分离装置中制造的氧气相比使含碳燃料气化的燃烧嘴优先供给到所述炉渣熔融燃烧嘴。
根据本发明，在使用所述炉渣熔融燃烧嘴时，所制造的氧气相比使含碳燃料气化的燃烧嘴优先供给到炉渣熔融燃烧嘴，因此，无需始终对炉渣熔融燃烧嘴供给氧气。或者，无需考虑到在炉渣熔融燃烧嘴中使用的氧气量而始终将氧气放气。
在上述第1实施方式中，优选所述气化发电设备具备氧化剂供给路径，该氧化剂供给路径将从所述燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到所述气化炉，在所述气化发电设备处于静定状态时，设为使供给到所述气化炉的氧化剂量与含碳燃料的理论燃烧氧化剂量之比即空气比固定的空气比固定模式，在所述气化炉的运转状态量或所述气化发电设备的负荷变动时，设为使所述空气比可变动的空气比变动模式。
根据本发明，气化发电设备具备：利用氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、通过利用气体精制设备将气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机、及将从燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到气化炉的氧化剂供给路径。含碳燃料例如为煤炭。
以往，即使在气化炉的运转状态量变动或气化发电设备的负荷变动的情况下，以与气化发电设备处于静定状态时相同使空气比固定的空气比固定模式进行了控制。然而，通过将空气比固定，气化炉中的其他控制量产生过冲，因而要使气化发电设备整体的控制达到稳定有时需要时间。另外，气化炉的运转状态量例如为在气化炉中生成的气体的发热量(生成气体发热量)。
因此，本发明在气化炉的运转状态量或气化发电设备的负荷变动时，将运转模式从空气比固定模式切换为使空气比可变动的空气比变动模式。
在气化炉的运转状态量或气化发电设备的负荷变动的情况下，通过切换为空气比变动模式，氧化剂量会根据负荷而变动，因此抑制氧化剂量的过冲。并且，通过抑制氧化剂量的过冲，供给到气化炉的相对于含碳燃料量的氧化剂量会变少，因而，气化炉中生成的气体中的可燃性气体(例如，CO)的生成量增加，与以往相比，生成气体发热量迅速增加，气化发电设备在更短的时间内达到静定状态。
并且，由于抑制氧化剂量的过冲，因而对氧化剂的供给设备的容量考虑的过冲容许度会减少，因此，与以往相比，能够更加降低该供给设备的容量。并且，过冲容许度越小，越能够抑制该供给设备的设备计划点和正常运转时的运转点之间的偏差。
因此，采用本结构，无需增加氧化剂供给设备的容量，且能够使设备整体的控制迅速达到稳定状态。
在上述第1实施方式中，优选所述气化发电设备具备氧化剂供给路径，该氧化剂供给路径将从所述燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到所述气化炉，根据所述气化炉的运转状态量的变动或所述气化发电设备的负荷的变动，容许供给到所述气化炉的氧化剂量与含碳燃料的理论燃烧氧化剂量之比即空气比偏离预先规定的设定值，在规定的上限值内控制供给到所述气化炉的氧化剂量。
根据本发明，气化发电设备具备：利用氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、通过利用气体精制设备将气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机、及将从燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到气化炉的氧化剂供给路径。氧化剂例如为空气或氧气，含碳燃料例如为煤炭。
以往，即使在气化炉的运转状态量变动或气化发电设备的负荷变动的情况下，为了使气化炉的运转状态保持恒定，以使空气比(供给到气化炉的氧化剂量与相对于气化炉的含碳燃料的理论燃烧氧化剂量之比)维持预先规定的设定值的方式进行控制。然而，通过将空气比维持恒定，气化炉中的其他控制量(例如，氧化剂的供给量)会产生过冲，因而要使气化发电设备整体的控制达到稳定有时需要时间。另外，气化炉的运转状态量例如为在气化炉中生成的气体的发热量。
因此，本发明中，通过氧化剂量控制构件，根据气化炉的运转状态量或气化发电设备的负荷的变动，容许过渡性的气化炉的运转状态的变动，即，容许空气比偏离预先规定的设定值，在规定的上限值内控制供给到气化炉的氧化剂量。另外，上限值基于空气压缩机能够向气化炉送风的风量。具体而言，上限值是对空气压缩机的最大风量加上容许度的值。并且，从预先规定的设定值偏离的容许范围例如以相对于设定值的相对比率为3％，优选为5％。
通过对供给到气化炉的氧化剂量的控制量积极地设定上限值，抑制氧化剂量的过冲。并且，通过设置上限值，相对于供给到气化炉的含碳燃料量的氧化剂量减少，因此在气化炉中生成的气体中的可燃性气体(例如，CO)的生成量增加，因而与以往相比，生成气体发热量迅速增加，气化发电设备在更短的时间内到达稳定状态。
并且，通过设定上限值，抑制氧化剂量的过冲，因此对氧化剂的供给设备的容量考虑的过冲容许度变小，因而与以往相比，能够缩小该供给设备的容量。并且，过冲容许度越小，越能够抑制该供给设备的设备计划点和正常运行时的运转点之间的偏差。
如上所述，在本发明中，容许空气比从预先规定的设定值偏离，对供给到气化炉的氧化剂量设定上限值，因此，无需增加氧化剂的供给设备的容量，并且能够使设备整体的控制迅速达到稳定状态。
本发明的第2实施方式涉及一种气化发电设备，其具备：空气分离装置，从空气分离氧气和氮气；气化炉，将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化；燃气轮机，通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动；及上述控制装置。
本发明的第3实施方式涉及一种气化发电设备的控制方法，该气化发电设备具备：从空气分离氧气和氮气的空气分离装置、将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、及通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机，该气化发电设备的控制方法包括：第1工序，根据所述气化发电设备的运转负荷确定由所述空气分离装置制造的氮气的制造量；第2工序，将对应于由所述空气分离量确定部确定的氮气的制造量而次生的全部氧气供给到所述气化炉。
发明效果
根据本发明，具有能够将从空气中制造出的氧气的放气限制为最小的有益效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的IGCC设备的结构图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的供给到煤气化炉所具有的炉渣熔融燃烧嘴的气体的路径的图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的IGCC设备的控制装置的有关向煤气化炉供给气体的控制的功能的框图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的氧气量确定处理的流程的流程图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的MWD和氮气的消耗量之间的关系的图表。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的氮气的制造量和氧气的制造量之间的关系的图表。
图7是表示本发明的实施方式所涉及的氧气的制造量和MWD之间的关系的图表。
图8是表示本发明的实施方式所涉及的使用炉渣熔融燃烧嘴时的各流量调整阀的开度的变化的图。
图9是表示本发明的实施方式所涉及的使用炉渣熔融燃烧嘴时的各流量调整阀的开度的变化的其他方式的图。
图10是表示本发明的变形例所涉及的基于煤气化炉的运转状态量的变动的各种状态量的时间变化的图表。
图11是表示本发明的变形例所涉及的基于IGCC设备的负荷变动的各种状态量的时间变化的图表。
图12是表示以往的煤气化炉中的GID和氧浓度之间的关系的图表。
图13是表示以往的煤气化炉中的GID和氧化剂流量之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的气化发电设备的控制装置、气化发电设备、及气化发电设备的控制方法的一种实施方式进行说明。
在本实施方式中，对将本发明应用到气化复合发电设备(以下，称作“IGCC设备”)的情况进行说明，该气化复合发电设备具备：气化炉，利用氧化剂使含碳燃料气化；燃气轮机，通过使由精制设备对气化炉中生成的气体进行精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动；蒸汽轮机，通过被气化炉或燃气轮机的废气加热的蒸汽而进行驱动。另外，作为氧化剂的一例使用空气及氧气，作为含碳燃料的一例使用煤炭。
图1是概略地表示本实施方式所涉及的IGCC设备1的整体结构的图。
如图1所示，本实施方式所涉及的IGCC设备1主要具备：煤气化炉3、燃气轮机设备5、蒸汽轮机设备7、及废热回收锅炉(以下，称作“HRSG”)30。
在煤气化炉3的上游侧设置有向煤气化炉3供给煤粉的煤炭供给设备10。该煤炭供给设备10具备将炼焦煤粉碎成数μm至数百μm的煤粉的粉碎机(未图示)，通过该粉碎机粉碎的煤粉积存在多个料斗11。
积存于各料斗11中的煤粉与从空气分离设备(以下，称作“ASU”)15供给过来的氮气一同以恒定的流速搬送到煤气化炉3。ASU15是从空气中分离氮气及氧气，并将这些气体供给到煤气化炉3的装置，在朝向煤气化炉3的供给管线上设置有用于分别将过剩生成的氮气及氧气向外部放气的阀15A、15B。另外，本实施方式所涉及的IGCC设备1中，如同后面的详述，不会生成过剩的氮气及氧气，将放气限制为最小。
煤气化炉3具备：以使气体从下方朝向上方流动的方式形成的煤气化部3a、连接在煤气化部3a的下游侧，并且以使气体从上方朝向下方流动的方式形成的热交换部3b。
在煤气化部3a，从下方设置有燃烧器13及减压器14。燃烧器13是使煤粉及炭的一部分燃烧而生成CO2，并且使剩下的部分通过热分解成为挥发成分(CO、H2、低级碳氢化物)而放出的部分。燃烧器13采用射流床。但是，燃烧器13也可以为流动床式或固定床式。
在燃烧器13及减压器14上分别设置有燃烧器燃烧嘴13a及减压器燃烧嘴14a，从煤炭供给设备10向燃烧器燃烧嘴13a及减压器燃烧嘴14a供给煤粉。
从燃气轮机设备5的空气压缩机5c被抽出的空气经由空气升压器17及氧化剂供给路径8与在ASU15中被分离的氧气一同作为氧化剂供给到燃烧器燃烧嘴13a。这种燃烧器燃烧嘴13a中供给有对氧气浓度进行调整的空气。另外，从空气压缩机5c被抽出的空气中的氧气可以在ASU15中被分离，被分离的氧气经由氧化剂供给路径8供给到燃烧器燃烧嘴13a。
在减压器14中，通过来自燃烧器13的高温燃烧气体而使煤粉气化。由此，从煤炭生成CO或H2等成为气体燃料的可燃性气体。煤气化反应是使煤粉及炭中的碳与高温气体中的CO2及H2O反应而生成CO和H2的吸热反应。
煤气化炉3使从空气压缩机5c供给过来的供给空气和煤炭反应从而生成气体。具体而言，在煤气化炉3的热交换部3b设置有多个热交换器(省略图示)，从引导自减压器14的生成气体获得显热而产生蒸汽。在热交换器中产生的蒸汽主要用作蒸汽轮机7b的驱动用蒸汽。通过热交换部3b的生成气体导向除尘设备20。该除尘设备20具备多孔过滤器，通过使生成气体通过多孔过滤器，捕捉并回收混合在生成气体中的含有未燃烧成分的炭。被捕捉的炭堆积在多孔过滤器而形成炭层。包含在生成气体中的Na成分及K成分会冷凝在炭层，最终Na成分及K成分从除尘设备20也被去除。
如上回收的炭与从ASU15供给过来的氮气一同回送到煤气化炉3的炭燃烧嘴21而得到再利用。另外，与炭一同送回到炭燃烧嘴21的Na成分及K成分最终与熔融的煤粉的灰一同从煤气化部3a的下方排出。熔融排出的灰用水骤冷、破碎而成为玻璃状的炉渣。
通过除尘设备20的生成气体通过气体精制设备22精制后，作为燃料气体送往燃气轮机设备5的燃烧器5a。
燃气轮机设备5具备：燃烧器5a，使通过气体精制设备22精制生成气体而得到的燃料气体燃烧；燃气轮机5b，通过燃烧气体而驱动；空气压缩机5c，向燃烧器5a送出高压空气。燃气轮机5b和空气压缩机5c通过相同的旋转轴5d而连接。在空气压缩机5c中压缩的空气被抽出而还导向与燃烧器5a不同的空气升压器17。
通过燃气轮机5b的燃烧废气导向HRSG30。
蒸汽轮机设备7的蒸汽轮机7b连接在与燃气轮机设备5相同的旋转轴5d，成为所谓的一轴式的组合系统。从煤气化炉3及HRSG30向蒸汽轮机7b供给高压蒸汽。另外，不只限定于一轴式的组合系统，也可以是二轴式的组合系统。
从被燃气轮机5b及蒸汽轮机7b驱动的旋转轴5d输出电力的发电机9隔着蒸汽轮机设备7设置在与燃气轮机设备5相反的一侧。另外，发电机9的配置位置不只限于该位置，只要是能够从旋转轴5d输出电力的位置均可。
HRSG30通过来自燃气轮机5b的燃烧废气产生蒸汽，并且将燃烧废气从烟囱31向大气放出。
接着，对应用上述结构的煤气化炉3的IGCC设备1的工作进行说明。
炼焦煤在粉碎机(未图示)被粉碎之后引导向料斗11而积存于料斗11。积存于料斗11的煤粉与在ASU15中被分离的氮气一同供给到减压器燃烧嘴14a及燃烧器燃烧嘴13a。并且，在除尘设备20中回收的炭供给到炭燃烧嘴21。
作为燃烧器燃烧嘴13a的燃烧用气体，使用在从燃气轮机设备5的空气压缩机5c抽气并在空气升压器17进一步升压的压缩空气中添加在ASU15中被分离后的氧气的气体。在燃烧器13中，煤粉及炭被燃烧用空气部分燃烧而生成CO2，剩余部分被热分解成挥发成分(CO、H2、低级碳氢化物)。
在减压器14中，从减压器燃烧嘴14a供给的煤粉及在燃烧器13内放出了挥发成分后的炭通过从燃烧器13上升过来的高温气体而被气化，生成CO和H2等可燃性气体。
通过减压器14的生成气体在通过煤气化炉3的热交换部3b的同时向各热交换器施加其显热，从而产生蒸汽。在热交换部3b产生的蒸汽主要用于驱动蒸汽轮机7b。
通过热交换部3b的生成气体导向除尘设备20，回收炭。生成气体中的Na成分及K成分在此冷凝而被炭获取。包含被回收的Na成分及K成分的炭送回到煤气化炉3。
通过除尘设备20的生成气体在气体精制设备22被精制之后导向燃气轮机设备5的燃烧器5a，与从空气压缩机5c供给的压缩空气一同燃烧。通过该燃烧气体，燃气轮机5b进行旋转，旋转轴5d被驱动。
通过燃气轮机5b的燃烧废气导向HRSG30，通过利用该燃烧废气的显热而产生蒸汽。在HRSG30中产生的蒸汽主要用于驱动蒸汽轮机7b。
蒸汽轮机7b通过来自煤气化炉3的蒸汽及来自HRSG30的蒸汽进行旋转，从而驱动与燃气轮机设备5相同的旋转轴5d。旋转轴5d的旋转力通过发电机9转换为电输出。
图2是表示供给到煤气化炉3所具有的炉渣熔融燃烧嘴40的气体的路径的图。图2表示供给到炉渣熔融燃烧嘴40和燃烧器燃烧嘴13a的气体的路径。
如图2所示，燃烧器燃烧嘴13a供给有来自煤炭供给设备10的煤炭、来自空气升压器17的空气、及在ASU15中制造的氧气。而且，炉渣熔融燃烧嘴40供给有燃料气体和在ASU15中制造的氧气。
在朝向燃烧器燃烧嘴13a的空气的供给管线上设置有流量调整阀42a，在朝向燃烧器燃烧嘴13a的氧气的供给管线上设置有流量调整阀42b，在朝向炉渣熔融燃烧嘴40的氧气的供给管线上设置有流量调整阀42c。
另外，在朝向炭燃烧嘴21的空气的供给管线上也设置有与流量调整阀42a相同的流量调整阀，在朝向炭燃烧嘴21的氧气的供给管线上也设置有与流量调整阀42b相同的流量调整阀。
图3是表示负责IGCC设备1的控制的控制装置50的功能的框图。另外，在图3中示出有关向煤气化炉3供给气体的控制的功能。
控制装置50例如由CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random AccessMemory)、及计算机可读取记录介质等构成。并且，作为一例，用于实现后述的空气分离量确定部52、必要氧化剂流量确定部54、抽气量确定部56、及燃烧嘴阀开度确定部58的各种功能的一连串处理以程序的形式存储在记录介质等中，通过由CPU将该程序读取到RAM等，执行信息的加工、运算处理，从而实现各种功能。
空气分离量确定部52根据IGCC设备1的运转负荷确定基于ASU15的氮气的制造量(流量)。另外，伴随氮气制造量，基于ASU15的氧气的制造量(流量)同时也得到确定。
必要氧化剂流量确定部54确定与IGCC设备1的运转负荷相对应的煤气化炉3所需要的氧化剂流量(以下，称作“必要氧化剂流量”)。
抽气量确定部56根据ASU15的氧气的制造量和必要氧气量之间的差即必要氧化剂流量的不足量计算出满足不充分的氧气量的空气流量，确定从燃气轮机设备5所具备的空气压缩机5c朝向煤气化炉3的抽气量。即，根据从燃气轮机设备5抽取的空气量调整供给到煤气化炉3的氧化剂的总量。
燃烧嘴阀开度确定部58确定设置在各种燃烧嘴的气体供给管线上的流量调整阀(流量调整阀42a、42b、42c)的开度。
图4是表示与控制装置50所执行的氧气量的确定有关的处理(以下，称作“氧气量确定处理”)流程的流程图。
首先，在步骤100中，确定作为表示IGCC设备1的运转负荷的指标的对IGCC设备1的输出指令(本实施方式中为发电输出指令值，以下称作“MWD”)。
在此，作为表示IGCC设备1的运转负荷的指标，除了MWD之外，例如还有规定投入到煤气化炉3的热量输入的参数即气化炉输入指令(以下，称作“GID”)。与GID相比，MWD表示更加稳定的值，因此基于ASU15的氮气及氧气的制造量也会更加稳定。
接着，在步骤102中，确定基于已确定的MWD的由ASU15制造的氮气的制造量。
图5是表示MWD和氮气的消耗量之间的关系的图表。用于将煤炭及炭搬送到气化炉13的氮气的消耗量因过渡性变动而具有如图5所示的宽度。因此，在步骤104中，将该宽度的最大值确定为由ASU15制造的氮气的制造量。另外，MWD越大，氮气的制造量也越多。
接着，在步骤104中确定氧气的制造量。
图6是表示氮气的制造量和氧气的制造量之间的关系的图表。如图6所示，根据氮气的制造量，由ASU15的特性来唯一确定氧气的制造量。
图7是表示MWD和氧气的制造量之间的关系的图表。如图7所示，氧气的制造量设定为相对于MWD的函数。通过利用该设定的函数，控制装置50能够简单地确定氧气的制造量。
另外，步骤102、步骤104的处理相当于空气分离量确定部52的功能。
并且，在步骤100的下一个步骤106中，根据MWD计算出必要氧化剂流量。步骤106与步骤102、104并行地进行。
另外，步骤106的处理相当于必要氧化剂流量确定部54的功能。
在步骤104、106的下一个步骤108中，计算出必要氧化剂流量的不足量。本实施方式所涉及的IGCC设备1中，将制造出的全部氧气供给到煤气化炉3，但是制造出的氧气并不一定满足全部必要氧化剂流量，因此计算出必要氧化剂流量的不足量。
接着，在步骤110中，根据必要氧化剂流量的不足量确定从空气压缩机5c向煤气化炉3抽取的抽气量。
由此，煤气化炉3的空气比控制由从燃气轮机5b抽取的空气调整，对氧气浓度本身不进行控制。
另外，步骤108、110的处理相当于抽气量确定部56的功能。
如此，控制装置50根据MWD运转ASU15，将制造出的氧气及氮气的全部量供给到煤气化炉3，并根据计算出的抽气量从空气压缩机5c向煤气化炉3供给空气。
因此，IGCC设备1不会制造过多的氮气和氧气，制造出的全部氧气供给到煤气化炉3，因此能够将从空气制造出的氧气的放气控制为最小。
接着，对使用炉渣熔融燃烧嘴40时的流量调整阀42a、42b、42c的开度控制进行说明。
本实施方式的IGCC设备1中，在使用炉渣熔融燃烧嘴40时，制造出的氧气相比燃烧器燃烧嘴13a及炭燃烧嘴21优先供给到炉渣熔融燃烧嘴40。由此，IGCC设备1无需始终向炉渣熔融燃烧嘴40供给氧气。或者，无需考虑到在炉渣熔融燃烧嘴40中使用的氧气量而始终将氧气放气。
图8是表示使用炉渣熔融燃烧嘴40时的流量调整阀42a、42b、42c的开度的变化的图。
在使用炉渣熔融燃烧嘴40时，向炉渣熔融燃烧嘴40供给燃料气体的同时开启流量控制阀42c，将在ASU15中制造的氧气供给到炉渣熔融燃烧嘴40。
此时，根据流过流量控制阀42c的氧气流量，拧紧用于调整流向燃烧器燃烧嘴13a的氧气流量的流量调整阀42b。另一方面，用于调整流向燃烧器燃烧嘴13a的空气流量的流向调整阀42a的开度保持不变。即，流向燃烧器燃烧嘴13a的氧化剂流量暂时减少。
图9是表示使用炉渣熔融燃烧嘴40时的流量调整阀42a、42b、42c的开度的变化的其他方式的图。
在图9所示的实施方式中，在使用炉渣熔融燃烧嘴40时，打开流量调整阀42a，以便补充因拧紧流量调整阀42b而减少的氧气量。由此，供给到燃烧器燃烧嘴13a的氧化剂中含有的氧气量得到维持。
如上所述说明，本实施方式所涉及的IGCC设备1具备：从空气分离氧气和氮气的ASU15、利用氧化剂使煤炭气化的煤气化炉3、及通过利用气体精制设备22将煤气化炉3中产生的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机5b。IGCC设备1的控制装置50具备根据IGCC设备1的运转负荷确定由ASU15制造的氮气的制造量的空气分离量确定部52，并将对应于确定的氮气的制造量而次生的全部氧气供给到煤气化炉3。
因此，IGCC设备1能够将从空气中制造出的氧气的放气限制为最小。
(变形例1)
除了上述实施方式的控制之外，控制装置50在IGCC设备1处于静定状态时，将IGCC设备1的运转模式设为使空气比固定的空气比固定模式，并且在煤气化炉3的运转状态量或者IGCC设备1的负荷变动时，将IGCC设备1的运转模式设为使空气比可变动的空气比变动模式。另外，空气比是供给到煤气化炉3的氧化剂流量与含碳燃料的理论燃烧氧化剂流量之比。
以往，即使在煤气化炉3的运转状态量变动(参照图10)或IGCC设备1的负荷变动的情况下(参考图11)，与IGCC设备1处于静定状态时相同，以将空气比固定的空气比固定模式进行控制。另外，关于将空气比固定的控制，换句话讲是指将空气比保持恒定的控制。然而，通过将空气比固定，煤气化炉3中的其他控制量(例如，氧化剂流量)会产生过冲，有时会存在要稳定IGCC设备1整体的控制需要时间的情况。
因此，控制装置50在煤气化炉3的运转状态量变动或IGCC设备1的负荷变动的情况下，将运转模式从空气比固定模式转换成使空气比可变动的空气比变动模式。
在煤气化炉3的运转状态量或IGCC设备1的负荷变动的情况下，通过转换为空气比变动模式，氧化剂流量会根据负荷而变动，因此抑制氧化剂流量的过冲。并且，通过抑制氧化剂流量的过冲，相对于供给到煤气化炉3的含碳燃料量的氧化剂流量减少，因此在煤气化炉3中生成的气体中的可燃性气体(例如，CO)的生成量会增加，因而与以往相比，生成气体的发热量迅速增加，IGCC设备1在更短的时间内到达静定状态。
并且，由于抑制氧化剂流量的过冲，因而从氧化剂的供给设备即空气升压器17的容量考虑的过冲容许度变少，因此，可以将空气升压器17的容量设为小于以往。并且，过冲容许度越小，越能够抑制空气升压器17的设备计划点和正常运行时的运转点之间的偏差。
因此，IGCC设备1无需增加空气压缩器17的容量，且使设备整体的控制迅速成为稳定。
在此，煤气化炉3的运转状态量变动的原因，换言之，IGCC设备1的发电输出产生波动的原因如下。
若向燃气轮机5b的燃料供给量增加，则如图10的气化炉压力的时间变化中的区域A所示，实际气化炉压力(计测值)和气化炉压力的设定值之间的偏差会扩大。随之，如图10的氧化剂流量的时间变化中的区域B所示，来自燃气轮机5b的空气压缩机5c的抽气量增加，IGCC设备1的发电输出会减少。
即，煤气化炉3的运转状态量变动的原因可认为，气化炉压力的计测值和气化炉压力的设定值之间的偏差变大而导致。另外，在IGCC设备1处于静定状态时，与气化炉压力的设定值之间的偏差为零或较小。
因此，控制装置50在气化炉压力的计测值和气化炉压力的设定值之间的偏差与静定状态相比较大时，判断为IGCC设备1的负荷发生了变动，将运转模式设定为空气比变动模式。
并且，作为IGCC设备1，还有蒸汽轮机设备7的驱动轴与燃气轮机5b的驱动轴并非同轴的设备。这种IGCC设备1中，将IGCC设备1的负荷变动的情况看作燃气轮机5b的输出未增加而GID增加的情况。若GID增加，则如图10的煤炭流量的时间变化中的区域C所示，煤炭流量会增加。
这种IGCC设备1的控制装置50在燃气轮机5b的输出未增加而GID增加的情况下，判断为IGCC设备1的负荷发生了变动，将运转模式设定为空气比变动模式。
(变形例2)
除了上述实施方式的控制之外，控制装置50根据煤气化炉3的运转状态的变动或IGCC设备1的负荷的变动容许空气比偏离预先规定的设定值，在规定的上限值内控制供给到煤气化炉3的氧化剂流量。
以往，即使在煤气化炉3的运转状态量变动或IGCC设备1的负荷变动的情况下，为了使煤气化炉3的运转状态保持恒定，以使空气比维持预先规定的设定值的方式进行控制。然而，通过将空气比维持成恒定，煤气化炉3中的其他控制量(例如，氧化剂流量)会出现过冲，有时会存在要稳定IGCC设备1整体的控制需要时间的情况。
因此，控制装置50根据煤气化炉3的运转状态量的变动或IGCC设备1的负荷的变动容许过渡性的煤气化炉3的运转状态的变动，即，容许空气比偏离预先规定的设定值，在规定的上限值内控制供给到煤气化炉3的氧化剂流量(参照图10、图11的氧化剂流量的时间变化)。另外，上限值基于空气压缩机5c能够向煤气化炉3送气的风量。具体而言，上限值是对空气压缩机5c的最大风量加上容许度的值。并且，从预先规定的设定值偏离的容许范围例如以相对于设定值的相对比率为3％，优选为5％。
通过对供给到煤气化炉3的氧化剂流量的控制量积极地设定上限值，抑制氧化剂流量的过冲。并且，通过设置上述上限值，相对于供给到煤气化炉3的含碳燃料的氧化剂流量变少，因此在煤气化炉3中生成的气体中的可燃性气体(例如，CO)的生成量增加，因而与以往相比，生成气体发热量迅速增加，IGCC设备1在更短的时间内到达静定状态。
并且，通过设定上限值，抑制氧化剂流量的过冲，因此对空气升压器17的容量考虑的过冲容许度变小，因而与以往相比，能够缩小空气升压器17的容量。并且，过冲容许度越小，越能够抑制空气升压器17的设备计划点和正常运行时的运转点之间的偏差。
如上所述，控制装置50容许空气比从预先规定的设定值偏离，对供给到煤气化炉3的氧化剂流量设定上限值，因此，无需增加空气升压器17的容量，并且能够使设备整体的控制迅速达到稳定状态。
以上，利用上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围不只限于上述实施方式所记载的范围。在不脱离本发明的宗旨的范围内，对上述实施方式可进行各种变更或改良，并且该变更或改良后的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
并且，在上述实施方式中，对将具备蒸汽轮机设备7的IGCC设备1作为本发明所涉及的气化发电设备的方式进行了说明，但本发明不只限定于此，例如还可以是将本发明适用于不具备蒸汽轮机设备的气化发电设备的方式。
并且，在上述各实施方式中，对将根据ASU15中制造的氮气的制造量而次生的全部氧气供给到煤气化炉3的方式进行了说明，但本发明不只限于此，也可以是将根据氮气的制造量而次生的氧气的大致全部量供给到煤气化炉3的方式。
另外，大致全部量中的大致是指容许氧气供给管线上的氧气的泄漏等。
并且，在上述实施方式中，对从根据MWD计算出的必要氧化剂流量确定抽气量的方式进行了说明，但本发明不只限于此，也可以是先确定相对于各MWD的抽气量，并且根据MWD确定抽气量的方式。
并且，在本实施方式中，对根据气化炉压力的计测值和设定值之间的偏差判断煤气化炉3的运转状态量是否变动的方式进行了说明，但本发明不只限于此，也可以是根据煤气化炉3的出口压力的计测值和设定值之间的偏差、气体精制设备22的出口压力的计测值和设定值之间的偏差、或者燃气轮机5b的入口压力的计测值和设定值之间的偏差进行确定的方式。
符号说明
1-IGCC设备，3-煤气化炉，5b-燃气轮机，15-ASU，22-气体精制设备，40-炉渣熔融燃烧嘴，50-控制装置，52-空气分离量确定部。

Claims (7)

1.一种气化发电设备的控制装置，该气化发电设备具备：从空气分离氧气和氮气的空气分离装置、将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、及通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机，该气化发电设备的控制装置的特征在于，
具备空气分离量确定部，其根据所述气化发电设备的运转负荷确定由所述空气分离装置制造的所述氮气的制造量，
并且，将对应于由所述空气分离量确定部确定的所述氮气的制造量而次生的全部氧气供给到所述气化炉，基于向所述气化炉供给的氧化剂的不足量来决定从所述燃气轮机抽取的空气量。
2.根据权利要求1所述的气化发电设备的控制装置，其中，
所述气化发电设备的运转负荷为对所述气化发电设备的输出指令值。
3.根据权利要求1或2所述的气化发电设备的控制装置，其中，
所述气化炉具备使气化炉内的炉渣熔融的炉渣熔融燃烧嘴，
在使用所述炉渣熔融燃烧嘴时，由所述空气分离装置制造的氧气相比使含碳燃料气化的燃烧嘴优先供给到所述炉渣熔融燃烧嘴。
4.根据权利要求1或2所述的气化发电设备的控制装置，其中，
所述气化发电设备具备氧化剂供给路径，该氧化剂供给路径将从所述燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到所述气化炉，
在所述气化发电设备处于稳定状态时，设为使供给到所述气化炉的氧化剂量与含碳燃料的理论燃烧氧化剂量之比即空气比固定的空气比固定模式，在所述气化炉的运转状态量或所述气化发电设备的负荷变动时，设为使所述空气比可变动的空气比变动模式。
5.根据权利要求1或2所述的气化发电设备的控制装置，其中，
所述气化发电设备具备氧化剂供给路径，该氧化剂供给路径将从所述燃气轮机的空气压缩机抽取的空气或从该空气分离出来的氧气作为氧化剂供给到所述气化炉，
根据所述气化炉的运转状态量或所述气化发电设备的负荷的变动，容许供给到所述气化炉的氧化剂量与含碳燃料的理论燃烧氧化剂量之比即空气比偏离预先规定的设定值，在规定的上限值内控制供给到所述气化炉的氧化剂量。
6.一种气化发电设备，其特征在于，具备：
空气分离装置，从空气分离氧气和氮气；
气化炉，将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化；
燃气轮机，通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动；及
权利要求1至5中任一项所述的控制装置。
7.一种气化发电设备的控制方法，该气化发电设备具备：从空气分离氧气和氮气的空气分离装置、将所述氧气作为氧化剂使含碳燃料气化的气化炉、及通过利用气体精制设备将所述气化炉中生成的气体精制而得到的燃料气体燃烧后的燃烧气体而进行驱动的燃气轮机，该气化发电设备的控制方法的特征在于，包括：
第1工序，根据所述气化发电设备的运转负荷确定由所述空气分离装置制造的氮气的制造量；
第2工序，将对应于由所述空气分离量确定部确定的氮气的制造量而次生的全部氧气供给到所述气化炉，并且基于向所述气化炉供给的氧化剂的不足量来决定从所述燃气轮机抽取的空气量。
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