JP2005194968A - 排気再燃プラント及びプラント設備の改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最小限の改造で既設火力プラントをリパワリングし、改質燃料をガスタービン燃料として使用することで発電コストを削減することができる排気再燃プラント及びプラント設備の改造方法を提供する。
【解決手段】既設の蒸気タービン設備１００に、ガスタービン設備２００と、蒸気タービン設備１００の給水系統５から分岐させ、ボイラ１を経由するように配設した高温高圧水系統１０と、蒸気タービン設備１００の燃料系統４から分岐させた分岐燃料系統１１と、この分岐燃料系統１１からのボイラ用の燃料を、高温高圧水系統１０からの高温高圧水によって改質する改質器３００と、この改質器３００によって改質された燃料をガスタービン燃料としてガスタービン設備２００の燃焼器１５に供給する改質燃料系統１６とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、既設の火力プラントを改造して構築した排気再燃プラント及びプラント設備の改造方法に関する。

老朽化した発電設備は新鋭の設備に比べて発電効率が低く、燃料費が高くつくことに加え、環境規制値を満足するために排気ガスの脱硝装置を強化しなければならない等、発電コストが高くなる。それに対し、電力供給の自由化、環境規制の強化により火力発電プラントのさらなる高効率化の要望が高まっている。

そこで、近年、上記のように老朽化して休止状態にある火力プラントにガスタービン設備を追設することによって、排気再燃プラントとしてリパワリングする試みがなされている。この排気再燃プラントでは、ガスタービン設備を追設したことにより、ガスタービンの排気ガスがボイラの燃焼用空気として再利用され、発電容量及びエネルギ効率が向上する。しかし、一般にボイラ用の燃料には重油を用いられることが多く、重油には高温腐食の原因となるバナジウム等が多く含まれるため、金属で形成されたガスタービンの燃料として使用するには望ましくない。そこで、超臨界水によって重油をガスタービン燃料としても使用可能なものに改質する改質器が提唱されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００２−１２９１７４号公報

しかしながら、既存の蒸気タービン設備等の火力プラントにガスタービン設備を追設するにしても、前述したように、バナジウム等を含んだボイラ用の燃料はガスタービン燃料としては使用できず、一般に、ガスタービン設備用の燃料系統を別途設けなければならない。上記従来技術を利用してボイラ用の燃料をガスタービン燃料に改質することにより燃料系統を既存設備とガスタービン設備とで共用することも考えられるが、この場合、超臨界水を精製するための設備が必要となる。また、ガスタービン設備の設置に伴い、環境への配慮からガスタービン設備の排気ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置が必要となる。

本発明は、これらの事に鑑みてなされたもので、その目的は、最小限の改造で既設火力プラントをリパワリングし、改質燃料をガスタービン燃料として使用することで発電コストを削減することができる排気再燃プラント及びプラント設備の改造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、既設の火力プラントに、ガスタービン設備と、既設設備用の燃料を改質する改質器を追設し、さらに既設の設備を利用して燃料改質用の高温高圧水を精製する。

本発明によれば、上記によって、最小限の改造で既設火力プラントをリパワリングし、改質燃料をガスタービン燃料として使用することで発電コストを削減することができる。

以下、本発明の排気再燃プラント及びプラント設備の改造方法の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態の排気再燃プラントの系統図である。
この図１において、一点鎖線で囲んだ部分は、例えば老朽化して休止状態にあった既設の蒸気タービン設備を表している。この蒸気タービン設備１００は、概略すれば、ボイラ１で発生させた蒸気によって蒸気タービン２を回転駆動させ、蒸気タービン２の回転動力によって発電機３を回転させて発電するようになっている。

蒸気タービン設備１００について説明すると、まず、図示しない燃料供給設備からの燃料を供給する燃料系統４がボイラ１に接続する一方、図示しない水源からの補給水を供給するための給水系統５が、ボイラ１を介して蒸気タービン２に接続している。燃料系統４に供給される燃料は、図示しない脱塩装置により高温腐食の原因となるナトリウム、カリウム等を予め除去してある。

給水系統５には、蒸気タービン２で仕事をした蒸気を回収して給水系統５に循環させる復水系統６が接続している。ボイラ１では、燃料系統４から供給される燃料を燃焼し、給水系統５の途中に設けたボイラ給水ポンプ７によって吐出される水を高温高圧の蒸気として蒸気タービン２に供給する。これにより、蒸気タービン２とともに回転する発電機３によって発電される。蒸気タービン２を回転駆動させた蒸気は、復水系統６の途中に設けた復水器８によって凝集され、給水系統５に戻される。

本実施の形態の排気再燃プラントは、このような既設の蒸気タービン設備１００に対し、ガスタービン設備２００及び燃料の改質器３００を追設して構築される。そして、この排気再燃プラントを構築するに際し、以下のように各部を構成する。

改質器３００には、給水系統５のボイラ１よりも上流部分から分岐させた高温高圧水系統１０と、燃料系統４から分岐させた分岐燃料系統１１を接続し、このうち、高温高圧水系統１０は、ボイラ１を経由するように配設する。この高温高圧水系統１０は、給水系統５でなく、復水系統６から分岐させても良い。また、分岐燃料系統１１には、ポンプ１２を設ける。さらに、本排気再燃プラントにおいては、蒸気タービン２に蒸気を供給する蒸気系統（上記給水系統５のボイラ１よりも下流側部分）から分岐させた分岐蒸気系統１３と、この分岐蒸気系統１３と分岐燃料系統１１との間で熱交換させる熱交換器１４とを設置する。

また、改質器３００とガスタービン設備２００の燃焼器１５との間は改質燃料系統１６によって接続されており、上記の如く分岐燃料系統１１からのボイラ用の燃料が高温高圧水系統１０からの高温高圧水によってバナジウム等を分解除去されて改質された後、この改質燃料系統１６によって燃焼器１５に供給されるようになっている。改質器３００でボイラ用の燃料から分解除去されたバナジウムは、排水管路１７を介して水とともに改質器３００から排出される。

ガスタービン設備２００では、上記燃焼器１５において、改質燃料系統１６からの改質燃料をガスタービン圧縮機１８からの燃焼用圧縮空気とともに燃焼することによって燃焼ガスが精製され、この燃焼ガスによってガスタービン１９が回転駆動するようになっている。ガスタービン１９には、発電機２０が連結されており、この発電機２０がガスタービン１９とともに回転することにより発電される。ガスタービン１９は、１軸のものでも２軸のものでも良い。

さらに、ガスタービン１９とボイラ１との間は、燃焼ガス系統２１によって接続されており、ガスタービン設備２００からの燃焼ガス（排気ガス）が、燃焼用空気としてボイラ１に導かれるようになっている。

以上のように既設の蒸気タービン設備１００を改造することによって、改造後の排気再燃プラントは、次のように動作する。
まず、ボイラ１への供給燃料の一部は、ポンプ１２により所定の圧力まで昇圧される。その後、分岐燃料系統１１を通る途中、熱交換器１４によって、分岐蒸気系統１３を通る蒸気と熱交換され、温度上昇された後で改質器３００に供給される。

一方で、蒸気タービン２を出た蒸気が、復水器８に導かれてそこで凝集され、復水系統６を介して給水管路５に戻される。その後、図示しない水源からの補給水とともに、ボイラ給水ポンプ７により設定圧力まで昇圧され、さらにボイラ１を経由することにより設定温度まで昇温され、高温高圧水として改質器３００に供給される。
なお、ここで言う設定圧力は、例えば１０ＭＰａ〜２５ＭＰａ程度の圧力範囲、設定温度は４００℃〜４７０℃程度の温度範囲が好ましく、亜臨界状態や超臨界状態を含み、上記の高温高圧水は、亜臨界水又は超臨界水若しくはそれに近い温度、圧力の状態のものを含むものとする。

ここで、超臨界流体とは、気体と液体とが共存できる限界の温度・圧力（臨界点）を超えた状態の流体で、溶質を溶解する液体的挙動、拡散性に優れた気体的挙動の両方の特性を有している。特に、そのうちの超臨界水は、水をその臨界点（一般に２２ＭＰａ、３７４℃）以上に昇温昇圧したもので、反応溶媒としての効果が大きく、圧力・温度の変化で連続的に流体の諸物性を制御できる利点を有し、様々な反応系に適用可能である。いかなる有機物でも分解でき、一般に、ダイオキシン、ＰＣＢ等も１００％近く分解できる。

改質器３００に供給されたボイラ用の燃料は、上記高温高圧水の反応溶媒としての作用によってバナジウム等を分解除去されて改質される。改質燃料は、改質燃料系統１６を介してガスタービン設備２００の燃焼器１５に供給され、分解除去されたバナジウム等は、排水管路１７を介して系外に排出される。

燃焼器１５に供給された燃料は、ガスタービン圧縮機１８により昇圧された燃焼用空気と混合、燃焼し、それにより生じた高温高圧の燃焼ガスにより、ガスタービン１９が駆動される。そして、この際に得られた動力によって、発電機２０が駆動し発電される。

また、ガスタービン２０で仕事をした燃焼ガス（排気ガス）は、通常、ガスタービン２０の出口付近での温度が６００℃程度の高温空気であることから、燃焼ガス系統２１を介してボイラ１に供給され、このボイラ１の燃焼用空気として使用することで、排気ガスが持つ熱エネルギが有効に利用される。この際、例えば、排気ガスに含まれる酸素濃度が十分でない場合は必要に応じて外気を取り入れても良い。ガスタービン設備２００の排気ガスは高温ではあるが蒸気タービン２を駆動するために必要な高温・高圧の蒸気を作るのに十分ではない。そこで、ボイラ１に供給された排気ガスを、このように燃焼用空気とし、ボイラ１に燃料を供給し再燃することで得られた高温・高圧の蒸気を、蒸気タービン２に供給しその動力で発電機３を駆動して発電する。

図示した蒸気タービン設備１００のように老朽化した従来火力プラントの中には、発電効率が低く、発電コストが高いために休止しているプラントも多く存在する。このようなプラントでは発電効率及び出力の向上を目的として前述のような排気再燃プラントへの改造によるリパワリングを実施する場合がある。この際、バナジウム等の重金属を多く含む燃料は、ボイラの燃料として使用できても、バナジウムの濃度が高く高温腐食による機器破損の原因となるため、そのままでは高速回転体であるガスタービンの燃料として使用することができない。したがって、新たにガスタービン設備を増設して排気再燃プラントに改造する場合、ガスタービン設備用の燃料系統、若しくはボイラ用の燃料をガスタービン設備用の燃料に改質する設備が必要となる。

通常、蒸気タービンプラントには、高温高圧の蒸気を発生させるボイラ設備に蒸気タービンからの復水を供給するに際し、復水を昇圧する設備等を有する。このため、蒸気タービン設備を改造して排気再燃プラントを構築する場合、その復水を昇圧する設備等は、ボイラ用の燃料をガスタービン燃料の改質に必要な反応溶媒である高温高圧水を精製するための設備としても利用することができる。

そこで、本実施の形態においては、前述の如く、既設のボイラ給水ポンプ７及びボイラ１を利用して、燃料改質用の高温高圧水を供給するための高温高圧水系統１０を設け、この高温高圧水系統１０からの高温高圧水を利用してボイラ用の燃料を一部改質して新たに設置したガスタービン設備２００の燃料として供給する。このように既設設備を最大限に利用して改質燃料を精製可能とすることにより、既設設備と追加設備との間で燃料設備の共有化が可能となる。また、ガスタービン燃料の改質に使用する高温高圧水の必要流量は、蒸気タービンへの給水流量に比べてごく僅かであるので、既設の従来火力プラントを改造する場合に設備の改造範囲を最小限に止めることができる。

また、高温高圧水を用いることにより、改質器３００により燃料中に含まれるバナジウムを許容値以下となるまで除去することでガスタービン燃料として利用することが可能であるので、一般にガスタービン燃料として使用するＡ重油に比して安価な、一般にボイラ用燃料に使用されるＣ重油を使用することができる。これにより、燃料費を大幅に削減することができ、発電コストを大きく低減することができる。

さらに、本実施の形態においては、分岐蒸気系統１３と熱交換器１４とを設けたことにより、改質する燃料の温度を上昇させるのに蒸気タービン２に供給する蒸気の熱を利用することができ、系内の熱エネルギを有効に活用することができる。

加えて、例えば油焚き燃料を使用する場合、ガスタービン設備２００の排気には、環境規制値を満足するために、排気ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置が必要となる。これに対しても、本実施の形態においては、ガスタービン設備２００の排気ガスを、燃焼ガス系統２１を介して既設のボイラ１に導き排気再燃化することで、新たにガスタービン設備２００用の脱硝設備を設けなくても、ボイラ１の持つ脱硝設備を共用することができる。これによっても、既設プラントの改造範囲を最小限に止めることができる。

本発明の排気再燃プラントの一実施の形態の系統図である。

符号の説明

１ ボイラ
２ 蒸気タービン
４ 燃料系統
５ 給水系統（蒸気系統）
６ 復水系統
１０ 高温高圧水系統
１１ 分岐燃料系統
１３ 分岐蒸気系統
１４ 熱交換器
１６ 改質燃料系統
２１ 燃焼ガス系統
１００ 既設の蒸気タービン設備
２００ ガスタービン設備
３００ 改質器

Claims (4)

1. ボイラで発生させた蒸気によって蒸気タービンを回転駆動させる既設の蒸気タービン設備と、
   この既設の蒸気タービン設備に追設したガスタービン設備と、
   前記蒸気タービン設備の給水系統又は復水系統から分岐させ、前記ボイラを経由するように配設した高温高圧水系統と、
   前記蒸気タービン設備の燃料系統から分岐させた分岐燃料系統と、
   この分岐燃料系統からのボイラ用の燃料を、前記高温高圧水系統からの高温高圧水によって改質する改質器と、
   この改質器によって改質された燃料を、ガスタービン燃料として前記ガスタービン設備の燃焼器に供給する改質燃料系統と
   を備えたことを特徴とする排気再燃プラント。
2. 請求項１に記載の排気再燃プラントにおいて、前記ガスタービン設備からの燃焼ガスを燃焼用空気として前記ボイラに導く燃焼ガス系統を設けたことを特徴とする排気再燃プラント。
3. 請求項１に記載の排気再燃プラントにおいて、前記蒸気タービンに蒸気を供給する蒸気系統から分岐させた分岐蒸気系統と、この分岐蒸気系統と前記分岐燃料系統との間で熱交換させる熱交換器とを備えたことを特徴とする排気再燃プラント。
4. ボイラで発生させた蒸気によって蒸気タービンを回転駆動させる既設の蒸気タービン設備にガスタービン設備を追設し排気再燃プラントを構築するに際し、前記ボイラ用の燃料を改質する改質器を設け、
   前記蒸気タービン設備の給水系統又は復水系統を分岐させ、前記ボイラを経由するように配設した高温高圧水系統と、前記蒸気タービン設備の燃料系統を分岐させた分岐燃料系統とを前記改質器に接続し、
   前記改質器と前記ガスタービン設備の燃焼器とを改質燃料系統で接続して、この改質燃料系統を介して、前記分岐燃料系統からのボイラ用の燃料が前記高温高圧水系統からの高温高圧水によって改質されて前記ガスタービン設備の燃焼器に供給されるようにする
   ことを特徴とするプラント設備の改造方法。
   

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