JP2002520541A - ガス・蒸気複合タービン設備 - Google Patents

ガス・蒸気複合タービン設備

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ハンネマン、フランク
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Abstract

(57)【要約】 ガスタービン(2)に燃焼ガス側において廃熱ボイラ(30)が後置接続され、この廃熱ボイラの加熱器が蒸気タービン(20)の水・蒸気回路(24)に接続され、ガスタービンの燃焼器(6)に燃料管(130)を介して燃料(B)用ガス化装置(132)が前置接続されているガス・蒸気複合タービン設備(1)に関する。特に高いプラント効率を得るため、ガス化装置と飽和器(150)との間の燃料管に、窒素を混合するための混合装置(146)に加えて、熱交換器(159)の一次側が接続され、この熱交換器の二次側が、飽和器と燃焼器との間において燃料管に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、ガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラが後置接続され、この廃熱
ボイラの加熱器が蒸気タービンの水・蒸気・回路に接続され、ガスタービンの燃
焼器に燃料管を介して燃料用ガス化装置が前置接続されたガス・蒸気複合タービ
ン設備に関する。
【0002】 化石燃料のガス化装置を一体化したガス・蒸気複合タービン設備は、一般に、
出口側が多数のガス浄化構成要素を介してガスタービンの燃焼器に接続された燃
料用ガス化装置を有している。ガスタービンの燃焼ガス側には廃熱ボイラが後置
接続され、この廃熱ボイラにおける加熱器は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接
続されている。そのような設備は、例えば英国特許出願公開第2234984号
明細書で知られている。
【0003】 更にドイツ特許第3331152号明細書から、燃料ガス化設備と組み合わさ
れたガスタービン設備の運転方法が知られている。その場合、燃焼器の直前で燃
料ガスに窒素を導入することが考慮されている。
【0004】 この設備の場合、ガス化済み化石燃料の燃焼中における有害物質の発生を減少
するため、ガス化装置とガスタービンの燃焼器との間の燃料管に飽和器が接続さ
れている。その飽和器においてガス化燃料に水蒸気が添加される。そのためにガ
ス化燃料は飽和器を、飽和器回路と呼ばれる水回路内を案内される水流と逆向き
に貫流する。特に高い効率を得るために、水・蒸気回路からの熱を飽和器回路に
入れることが考慮されている。
【0005】 ガス化燃料は、飽和器回路内を案内される加熱済み水流と飽和器内で接触する
ことによって、水蒸気で飽和され、限られた範囲内で加熱される。熱力学上およ
び運転上の理由から、ガスタービンの燃焼器に供給するに先立ち、燃料を一層加
熱することが必要である。
【0006】 本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備を、特に高
いプラント効率を示すように改良することにある。
【0007】 この課題は、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備において、本発
明に基づき、ガス化装置と飽和器との間の燃料管に、窒素を混合するための混合
装置に加えて、熱交換器の一次側を接続し、この熱交換器の二次側を、飽和器と
燃焼器との間の燃料管に接続することにより解決される。
【0008】 このような設備において、合成ガスと呼ばれるガス化済み化石燃料への窒素の
混入は、合成ガスの燃焼中におけるNOX発生量を特に小さな限界値に維持する
ために行われる。その窒素混入のために用意された混合装置は、燃料側において
飽和器の上流で燃料管に接続される。その場合、熱交換器は一次側が混合器およ
び飽和器の上流で、二次側が飽和器の下流で燃料管に接続される。これによって
、熱交換器は飽和器に流入する、原ガスとも呼ばれる合成ガスに含まれる熱を、
飽和器から流出する、混合ガスとも呼ばれる合成ガスに伝達する。従って、この
原ガス・混合ガス熱交換器とも呼ばれる熱交換器は、熱的に、飽和器の少なくと
も部分的な迂回を生じさせるので、原ガスによる合成ガスの加熱によって、全プ
ロセスの熱力学的損失は特に小さくされる。燃料側において飽和器の上流に混合
装置を配置することにより、原ガス・混合ガス熱交換器が原ガスに含まれる熱を
特に大きな質量流量に伝達することが保証される。従って、そのような配置によ
り、一定最終温度の周辺条件のもとで、比較的大きな熱量が飽和器から流出する
混合ガスに伝達されるので、特に良好な熱交換が達成される。
【0009】 特に高いプラント効率を得るため、本発明の有利な実施態様においては、飽和
器の上流の燃料管における原ガス・混合ガス熱交換器に、原ガス・廃熱ボイラが
前置接続される。原ガス・廃熱ボイラによって、ガス化装置で発生された合成ガ
スまたは原ガスを材料的に予冷却することが可能である。この場合、原ガスから
取り出された熱は特に有利に蒸気発生に利用される。化石燃料としての石炭をガ
ス化するために形成された設備において、いわゆるガス冷却(gas quench)が
行われる。この場合、合成ガスに、原ガス・廃熱ボイラへの流入に先立ち、所謂
冷却ガス(quench gas)が混入される。冷却ガスは、原ガス・混合ガス熱交換
器と飽和器との間の個所で、燃料管から分岐される。かかる設備において、原ガ
ス質量流量は混合ガス質量流量にほぼ匹敵するので、混合ガスは原ガスとの熱交
換により、通常の運転条件では300℃よりかなり高い温度に予熱される。
【0010】 飽和器と燃焼器との間において、もう1つの熱交換器の二次側を燃料管に接続
し、これを例えば中圧給水で加熱すると有利である。この配置の場合、例えば原
ガス・集塵装置によって定められた周辺条件に基づき、原ガスを限られた範囲で
冷却する場合でも、特に高いプラント効率において混合ガスの確実な加熱が保証
される。このような混合ガスの加熱構成は、ガス冷却を行うことなしに化石燃料
としての石炭をガス化すべく構成された設備に対しあるいは化石燃料として油を
ガス化すべく構成された設備に対しても特に適している。特にガス冷却なしで石
炭をガス化すべく構成された設備の場合、原ガス質量流量は通常、混合ガス質量
流量のほぼ半分であるので、原ガス・混合ガス熱交換器による混合ガスの加熱は
約200〜230℃の温度範囲に限られる。従ってそのような設備の場合、例え
ば高圧給水で加熱されるもう1つの熱交換器によって、補助的に混合ガスを加熱
することが特に有利である。
【0011】 本発明によって得られる利点は特に、飽和器の上流で燃料管に接続された混合
装置に加えて、補助的に原ガス・混合ガス交換器を設けることにより、飽和器に
流入する原ガスに含まれる熱を、飽和器から流出する混合ガスに、飽和器を迂回
した状態で、特に良好に伝達できることにある。従って、熱力学的に不利な合成
ガスの冷却および再熱は限られた大きさでしか必要とされず、ガス・蒸気複合タ
ービン設備の効率は特に高くなる。
【0012】 以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【0013】 図1におけるガス・蒸気複合タービン設備1は、ガスタービン設備1aおよび
蒸気タービン設備1bを備えている。ガスタービン設備1aは空気圧縮機4が連
結されたガスタービン2と、このガスタービン2に前置接続された燃焼器6とを
有する。この燃焼器6は圧縮機4の圧縮空気管8に接続されている。ガスタービ
ン2、空気圧縮機4および発電機10は共通の軸12上に置かれている。
【0014】 蒸気タービン設備1bは発電機22が連結した蒸気タービン20を有し、更に
水・蒸気回路24は、蒸気タービン20に後置接続された復水器26および廃熱
ボイラ30を備える。蒸気タービン20は、第1圧力段即ち高圧部20a、第2
圧力段即ち中圧部20bおよび第3圧力段即ち低圧部20cから成り、これら圧
力段20a、20b、20cは共通の軸32を介して発電機22を駆動する。
【0015】 ガスタービン2で膨張した作動媒体AMあるいは燃焼ガスを廃熱ボイラ30に
導入するため、排気管34が廃熱ボイラ30の入口30aに接続されている。ガ
スタービン2からの膨張した作動媒体AMは、廃熱ボイラ30からその出口30
bを通って煙突(図示せず)に向かって流れ出る。
【0016】 廃熱ボイラ30は復水加熱器40を有し、この復水加熱器40の入口側に、復
水管42を通して復水Kが供給される。復水管42に、復水ポンプ44が接続さ
れている。復水加熱器40は出口側が配管45を介して給水タンク46に接続さ
れている。復水加熱器40を必要に応じ迂回するため、復水管42はバイパス管
(図示せず)を通して直に給水タンク46に接続される。給水タンク46は、配
管47を介して中圧抽出口付きの高圧給水ポンプ48に接続されている。
【0017】 この高圧給水ポンプ48は、給水タンク46から流出する給水Sを、蒸気ター
ビン20の高圧部に付属した水・蒸気回路24の高圧段50に適した圧力レベル
にする。その加圧状態の給水Sは、給水加熱器52を介して高圧段50に導入さ
れる。この給水加熱器52は出口側が弁54で遮断できる給水管56を介して、
高圧ドラム(気水分離器)58に接続されている。この高圧ドラム58は、廃熱
ボイラ30内に配置された高圧蒸発器60に、水・蒸気循環路62を形成すべく
接続されている。高圧ドラム58は、主蒸気Fを排出すべく廃熱ボイラ30内に
配置された高圧過熱器64に接続されている。この高圧過熱器64は、出口側で
蒸気タービン20の高圧部20aの蒸気入口66に接続されている。
【0018】 蒸気タービン20の高圧部20aの蒸気出口68は、再熱器70を介して蒸気
タービン20の中圧部20bの蒸気入口72に、そしてその蒸気出口74は、蒸
気転流管76を介して蒸気タービン20の低圧部20cの蒸気入口78に接続さ
れている。蒸気タービン20の低圧部20cの蒸気出口80は、蒸気管82を介
して復水器26に接続され。これに伴い水・蒸気の閉回路24が生じている。
【0019】 復水Kが中間圧に達する抽出口にて、高圧給水ポンプ48から、分岐管84が
分岐している。この管84は、他の第2給水加熱器86あるいは中圧エコノマイ
ザを介し、蒸気タービン20の中圧部20bに付属する水・蒸気回路24の中圧
段90に接続されている。そのため第2給水加熱器86は、出口側が弁92で遮
断できる給水管94を介して中圧段90の中圧ドラム96に接続されている。中
圧ドラム96は廃熱ボイラ30内に配置され、中圧蒸発器として形成された加熱
器98に水・蒸気循環路100を形成すべく接続されている。中圧・主蒸気F′
の排出のため、中圧ドラム96は蒸気管102を介して再熱器70に接続され、
従って蒸気タービン20の中圧部20bの蒸気入口72に接続されている。
【0020】 配管47から、低圧給水ポンプ107を備え弁108で遮断できるもう1つの
配管110が分岐し、配管110は、蒸気タービン20の低圧部20cに付属す
る水・蒸気回路24の低圧段120に接続されている。この低圧段120は低圧
ドラム122を有し、該ドラム122は廃熱ボイラ30内に配置され低圧蒸発器
として形成された加熱器124に水・蒸気循環路126を形成すべく接続されて
いる。低圧・主蒸気F″を排出するため、低圧ドラム122が、低圧過熱器12
9が接続された蒸気管128を介し転流管76に接続されている。従って、この
実施例では、ガス・蒸気複合タービン設備1の水・蒸気回路24は、3つの圧力
段50、90、120を備える。しかしまた、より少数の、例えば2つの圧力段
にしてもよい。
【0021】 ガスタービン設備1aは、化石燃料Bのガス化により発生した気化合成ガスに
よる運転に対して設計されている。その合成ガスとして、例えばガス化した石炭
あるいは油が考慮される。そのため、ガスタービン2の燃焼器6は、入口側が燃
料管130を介してガス化装置132に接続されている。このガス化装置132
には、装填装置134を介し、化石燃料Bとして石炭あるいは油が供給される。
【0022】 化石燃料Bのガス化に必要な酸素O2を供給するため、ガス化装置132に酸
素管136を介して空気分解設備138が前置接続されている。この空気分解設
備138は、入口側に空気圧縮機4で圧縮された空気の部分流Tを供給される。
そのために空気分解設備138は、入口側が圧縮空気管8から分岐個所142に
おいて分岐した抽出空気管140に接続されている。この抽出空気管140には
更に、補助空気圧縮機144が接続されたもう1つの空気管143が開口してい
る。従ってこの実施例において、空気分解設備138に流入する全空気流Lは、
圧縮空気管8から分岐した部分流Tと、補助空気圧縮機144で搬送される空気
流とから成っている。このような回路構成は部分一体設備構成と呼ばれる。異な
った形態、所謂完全一体設備構成において、空気管143を補助空気圧縮機14
4と共に省くこともでき、その場合、空気分解設備138への空気の供給は、圧
縮空気管8から取り出された部分流Tで完全に行われる。
【0023】 空気分解設備138において、空気流Lの分解時酸素O2に加えて副次的に得
られる窒素N2は、空気分解設備138に接続された窒素管145を介して混合
装置146に導かれ、そこで合成ガスSGと混合される。この装置146は、窒
素N2と合成ガスSGとを特に一様に偏りなく混合すべく形成されている。
【0024】 ガス化装置132から流出する合成ガスSGは、燃料管130を介してまず原
ガス・廃熱ボイラ147に送られ、ここで流れ媒体との熱交換により、合成ガス
SGの冷却が行われる。この熱交換で発生した高圧蒸気は、図示しない方法で、
水・蒸気回路24の高圧段50に導入される。
【0025】 合成ガスSGの流れ方向に見て原ガス・廃熱ボイラ147の下流そして混合装
置146の上流にて、燃料管130に合成ガスSG用の集塵装置148および脱
硫装置149が接続されている。異なった実施例において、特に燃料として油を
ガス化する際、集塵装置148の代わりに煤洗浄装置を設けてもよい。
【0026】 燃焼器6内で気化燃料が燃焼する際の有害物質の発生を特に少なくするため、
ガス化燃料が燃焼器6に流入する前に水蒸気が添加される。これは熱力学的に特
に有利に飽和器系において行われる。そのため、燃料管130に飽和器150が
接続され、この飽和器150においてガス化燃料が加熱済みの飽和器の水と対向
流で導かれる。飽和器の水は、飽和器150に接続された飽和器回路152内を
循環する。その飽和器回路152に循環ポンプ154が接続され、且つ飽和器の
水を加熱するために熱交換器156が接続されている。その熱交換器156には
、一次側に水・蒸気回路24の中圧段90から加熱済み給水が供給される。ガス
化燃料が飽和する際に生ずる飽和器の水の損失を補うために、飽和器回路152
に給水管158が接続されている。
【0027】 合成ガスSGの流れ方向に見て飽和器150の下流側で、燃料管130に原ガ
ス・混合ガス熱交換器として働く熱交換器159の二次側が接続されている。こ
の熱交換器159の一次側は、集塵設備148の上流個所で同様に燃料管130
に接続されているので、集塵設備148に流入する合成ガスSGはその含有熱の
一部を、飽和器150から流出する合成ガスSGに伝達する。合成ガスSGを脱
硫設備149への流入前に熱交換器159を介して案内することは、他の構成要
素に関し変更された回路構成ででも考えられる。特に煤洗浄装置を接続する場合
熱交換器は、原ガス側において煤洗浄装置の下流に配置するのが好適である。
【0028】 飽和器150と熱交換器159との間において、もう1つの熱交換器160の
二次側が燃料管130に接続されている。この熱交換器160の一次側で給水が
加熱されるか、あるいはまた蒸気も加熱される。原ガス・純ガス熱交換器として
形成された熱交換器159および熱交換器160によって、ガス・蒸気複合ター
ビン設備1の種々の運転状態においても、ガスタービン2の燃焼器6に流入する
合成ガスSGの特に確実な加熱が保証される。
【0029】 燃焼器6に流入する合成ガスSGに必要に応じて蒸気を添加するために、燃料
管130にもう1つの混合装置161が接続されている。運転故障時における、
特に確実なガスタービン運転を確保するために、混合装置161に蒸気管(図示
せず)を介して中圧蒸気が導入される。
【0030】 空気分解設備138に導入すべき、抽出空気とも呼ばれる圧縮空気の部分流T
を冷却するため、熱交換器162の一次側に抽出空気管140が接続され、その
二次側は流れ媒体S′に対する中圧蒸発器として形成されている。この熱交換器
162は、蒸発器循環路163を形成するため中圧ドラムとして構成された気水
分離器164に接続されている。この気水分離器164は、配管166、168
を介し、水・蒸気循環路100に付属する中圧ドラム96に接続されている。あ
るいはまた熱交換器162は二次側を中圧ドラム96に直に接続することもでき
る。即ち、この実施例において気水分離器164は、中圧蒸発器として形成され
た加熱器98に間接的に接続されている。蒸発した流れ媒体S′を補給するため
、気水分離器164に更に給水管170が接続されている。
【0031】 圧縮空気の部分流Tの流れ方向に見て熱交換器162の下流で、抽出空気管1
40に他の熱交換器172が接続され、その二次側は流れ媒体S″に対する低圧
蒸発器として構成されている。熱交換器172は、蒸発器循環路174を形成す
べく、低圧ドラムとして構成された気水分離器176に接続されている。この実
施例において、気水分離器176は配管178、180を介して、水・蒸気循環
路126に付属する低圧ドラム122に接続され、従って低圧蒸発器として構成
された加熱器124に間接的に接続されている。あるいはまた気水分離器176
は別の適当な方式で接続することもでき、その場合、気水分離器176から取り
出された蒸気は副次的負荷にプロセス蒸気としておよび/又は加熱蒸気として導
入される。異なった実施例では、熱交換器172の二次側を低圧ドラム122に
直に接続してもよい。気水分離器176は更に給水管182に接続されている。
【0032】 蒸発器循環路163、174は、それぞれ強制循環路として形成でき、その場
合流れ媒体S′、S″の循環は循環ポンプによって保証され、その流れ媒体S′
、S″は蒸発器として形成された熱交換器162、172において少なくとも部
分的に蒸発される。しかしこの実施例において、蒸発器循環路163並びに蒸発
器循環路174は自然循環路として形成され、流れ媒体S′、S″の循環は、蒸
発過程の際に生ずる差圧および/又はそれぞれの熱交換器162、172および
それぞれの気水分離器164、176の測地学的配置により保証される。この実
施形態において、系統を始動するため、蒸発器循環路163ないし蒸発器循環路
174に、単に、各々比較的小形の循環ポンプが接続されている。
【0033】 飽和器回路152と熱的に結合するため、給水加熱器86の下流で分岐され、
加熱済み給水が供給される熱交換器156に加えて、飽和器水・熱交換器184
が設けられ、その一次側に給水タンク46からの給水Sが供給される。そのため
に飽和器水・熱交換器184は一次側において入口側が配管186を介して分岐
管84に接続され、出口側が配管188を介して給水タンク46に接続されてい
る。飽和器水・熱交換器184から流出する冷却済み給水Sを再加熱するため、
配管188に補助熱交換器190が接続されている。この補助熱交換器190は
一次側が抽出空気管140における熱交換器172に後置接続されている。この
ような配置によって、抽出空気からの特に高い熱回収率が得られ、従ってガス・
蒸気複合タービン設備1の特に高い効率が得られる。
【0034】 圧縮空気部分流Tの流れ方向に見て、熱交換器172と熱交換器190との間
で、抽出空気管140から冷却空気管192が分岐している。この冷却空気管1
92を介してガスタービン2に、冷却済み部分流Tの一部T′がタービン翼冷却
用の冷却空気として導入される。
【0035】 燃料側の、飽和器150の上流に混合装置146を配置することにより、熱交
換器159において、飽和器150に流入する、原ガスとも呼ばれる合成ガスS
Gから、飽和器150から流出する、混合ガスとも呼ばれる合成ガスSGに特に
良好に熱を伝達することができる。その熱交換は特に、熱交換器159が原ガス
に含まれる熱を特に大きな混合ガス質量流量に伝達することで助長される。この
ため、限られた最終温度においても、飽和器150から流出する混合ガスに比較
的大きな熱量が伝達される。従って、ガス・蒸気複合タービン設備1は特に高い
プラント効率を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に基づくガス・蒸気複合タービン設備の概略配管系統図。
【符号の説明】
1 ガス・蒸気複合タービン設備 2 ガスタービン 6 燃焼器 20 蒸気タービン 24 水・蒸気回路 30 廃熱ボイラ 130 燃料管 132 ガス化装置 146 混合装置 147 原ガス・廃熱ボイラ 150 飽和器 159、160 熱交換器 S 給水
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3G081 BA02 BA12 BA13 BB00 BC07 BD00 DA22 【要約の続き】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスタービン(2)の燃焼ガス側に廃熱ボイラ(30)が後
    置接続され、この廃熱ボイラ(30)の加熱器が蒸気タービン(20)の水・蒸
    気回路(24)に接続され、ガスタービン(2)の燃焼器(6)に燃料管(13
    0)を介して燃料(B)用ガス化装置(132)が前置接続されたガス・蒸気複
    合タービン設備(1)において、ガス化装置(132)と、飽和器(150)と
    の間の燃料管(130)に、窒素(N2)を混合するための混合装置(146)
    に加えて、熱交換器(159)の一次側が接続され、この熱交換器(159)の
    二次側が、飽和器(150)と燃焼器(6)との間の燃料管(130)に接続さ
    れたことを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備。
  2. 【請求項2】 飽和器(150)の上流の燃料管(130)における熱交換
    器(159)に、原ガス・廃熱ボイラ(147)が前置接続されたことを特徴と
    する請求項1記載のガス・蒸気複合タービン設備。
  3. 【請求項3】 飽和器(150)と燃焼器(6)との間において、もう1つ
    の熱交換器(160)の二次側が燃料管(130)に接続されたことを特徴とす
    る請求項1又は2記載のガス・蒸気複合タービン設備。
  4. 【請求項4】 飽和器(150)と、燃焼器(6)との間の熱交換器(16
    0)が給水(S)によって加熱されることを特徴とする請求項3記載のガス・蒸
    気複合タービン設備。
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