JP2005337214A - 高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 重質油を高温・高圧水と反応させて改質燃料を製造する重質油改質装置を適用したガスタービン発電システムにおいて、システム全体のヒートバランスを考慮した熱エネルギーの有効利用を図る。
【解決手段】 燃料改質器７で重質油を改質することによって得られた高温の液体改質燃料92を、燃料改質器7へ供給する前の重質油と改質油交換器102で熱交換させることにより、液体改質燃料を冷却させると同時に熱回収を行う。改質油交換器102で冷却後の液体改質燃料をガスタービンの燃焼器3に供給する系統に改質油タンク103を設けることにより、急なガスタービンの負荷変動に対して、改質燃料側においても供給流量変化の対応ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水を生成し、この高温・高圧水を重質油と混合し反応させて重質油を改質し、改質燃料をガスタービンの主燃料として発電を行う高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムに関する。

重質油は廉価であるが、高粘度であり、高濃度の硫黄分や重金属分を含有しているためにガスタービン燃料には適さない。このため、重質油を軽質化、脱硫黄化、脱金属化し、ガスタービンにも使用できる燃料とする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献1には、高温・高圧水と重質油を25MPa、380℃程度の反応条件で反応させ、熱分解、加水分解を起こさせることが記載されている。

特開2002−338973号公報（段落番号0018、0019）

重質油改質装置をガスタービンのシステムとして適用した際、主要機器による全体構成のヒートバランスは成立しているものの、具体的な各個別機器の詳細な構造とシステム、熱的評価、検討は今後行われる状況である。それ故、重質油改質装置を組み入れたガスタービン発電システムを実現させる場合、起動等における非定常状態や定格運転における定常状態でのシステム検討を行う必要がある。

本発明の目的は、重質油改質装置で得られた高温の改質燃料をガスタービンの主燃料として使用するガスタービン発電システムにおいて、システム全体のヒートバランスを考慮して熱エネルギーの有効利用が図れるようにしたシステム構成を提供することにある。

本発明は、ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置で得られた高温・高圧水を重質油と混合して反応させ重質油から改質燃料を製造する燃料改質器とを有し、改質燃料をガスタービンの主燃料として発電を行うガスタービン発電システムにおいて、前記燃料改質器で得られた改質燃料を減圧する減圧器と、減圧後の改質燃料を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液体改質燃料を重質油と熱交換させる改質油熱交換器とを備え、前記改質油熱交換器で重質油と熱交換させることによって冷却された液体改質燃料をガスタービンの主燃料として発電を行うようにしたことにある。

本発明は、ガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水を重質油と混合して反応させ、重質油から改質燃料を製造し、この改質燃料をガスタービン用燃料とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムである。このシステムにおいて、燃料改質器で製造された改質燃料は、高温・高圧状態であるため、減圧器によって減圧する。減圧された改質燃料は、気体状の燃料と液体状の燃料とに分離するため、減圧器の下流側に、改質燃料を気液分離する気液分離器を設置する。この気液分離器によって分離された気体改質燃料と液体改質燃料は減圧されているが、温度は高温である。高温の液体改質燃料を燃焼器に供給するには、高温用燃料供給装置が必要になるが、一般に高温用燃料供給装置は高価である。そのため、常温状態（約７０℃以下）で使用する安価な燃料供給装置が使用できるように、高温の液体改質燃料を冷却する。高温の液体改質燃料を冷却するのに冷却水を用いるのは、単に内部熱エネルギーの廃棄となり、システム全体のヒートバランスを考慮した熱エネルギーの有効利用が図れない。そこで、気液分離後の液体改質燃料を重質油と熱交換させる改質油熱交換器を設ける。改質油熱交換器を設けることにより、高温の液体改質燃料の熱エネルギーが常温の重質油の加熱源となることから熱回収されることとなる。

本発明では、改質油熱交換器で冷却された液体改質燃料をガスタービンの燃焼器に供給する系統に、液体改質燃料を貯蔵する改質油タンクを設けることができる。

更に、気液分離器で分離された液体改質燃料を改質油熱交換器へ供給する系統に、液体改質燃料の加熱器を設けることができる。ガスタービンの停止時のように、減圧後の液体改質燃料が気液分離器内で長時間放置された状態で貯蔵されている場合には、液体改質燃料の温度は低下している。この状態から、ガスタービンを起動し、低温の液体改質燃料を改質油熱交換器に供給して低温の重質油と熱交換させるにあたって、加熱器によって液体改質燃料を所期設定温度に加熱する。

本発明において、改質油熱交換器で加熱された重質油は、燃料改質器に改質用燃料として供給されるようにすることが望ましい。この場合、改質油熱交換器で加熱された重質油を燃料改質器に供給する系統に、高温水蒸気で重質油を加熱する重質油加熱器を設けてもよい。

また、重質油加熱器で加熱された重質油の温度を検出する温度検出器と、重質油加熱器に供給する高温水蒸気の供給量を変える水蒸気制御弁と、温度検出器からの検出信号によって水蒸気制御弁の開度をコントロールする制御器とを設けることができる。

改質油熱交換器を設けたことにより、加熱された重質油の熱エネルギー分を、重質油加熱器で用いる加熱用の高温水蒸気量として減少できるというメリットもある。

本発明によれば、改質油熱交換器において、高温の液体改質燃料の熱エネルギーが低温の重質油の加熱源となることから熱回収されることとなる。また、加熱された重質油の熱エネルギー分を、その後、重質油加熱器で用いる加熱用の高温水蒸気量として減少できる。

また、改質油熱交換器で冷却された液体改質燃料をガスタービンへ供給する系統に改質油タンクを設けたことにより、急なガスタービンの負荷変動に対して、改質燃料側においても供給流量変化の対応が可能となる。

また、気液分離器で分離された液体改質燃料を改質油熱交換器へ供給する系統に加熱器を設けたことにより、タービンの起動時に液体改質燃料を改質油熱交換器に供給するときに、液体改質燃料を所期設定温度に加熱でき、熱バランス的問題を解消し、全体のシステムを考慮した改質油熱交換器設計の最適化を図ることができる。

さらに、重質油加熱器で加熱された重質油の温度を検出する温度検出器、重質油加熱用の高温水蒸気の供給量を変える水蒸気制御弁、及び温度検出器から得られた検出信号によって水蒸気制御弁の開度をコントロールする制御器を設けたことにより、燃料改質器に供給する重質油を目標温度に維持することができる。

図５は、ガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水（350〜500℃、10〜30MPa程度）を、燃料改質器において重質油と混合して反応させ、重質油を軽質化して改質燃料を製造し、ガスタービン用燃料とするシステム全体を示す構成図である。起動時には起動用燃料である軽油10と、外気より取入られる空気20が空気圧縮機1により圧縮空気となって燃焼器3に供給され、燃焼させることによって起動する。燃焼排ガスはガスタービン2を駆動させながら排熱回収ボイラ4に送られる。ガスタービン2の駆動により発電機60で発電が行われる。通常の大型ガスタービンでは、定格運転における燃焼排ガス温度は560℃程度である。水30は水加圧ポンプ80によって20〜25MPa程度に昇圧されて排熱回収ボイラ4に送られ、ここで熱交換することによって450℃〜550℃程度の重質油改質用の高温・高圧水31が生成される。一方、重質油40は、重質油加圧ポンプ81によって20〜25MPa程度に昇圧された後、重質油加熱器5にて350℃程度に昇温されて燃料改質器7に供給される。それぞれ昇温昇圧された加熱重質油41及び高温・高圧水31を燃料改質器7にて混合し、改質燃料を製造する。ここで、重質油加熱器5に供給する重質油加熱用水蒸気51とコンバインドサイクルとしての蒸気タービン6用の蒸気タービン用水蒸気50も、排熱回収ボイラ4で同時に生成される。なお、蒸気タービン6には、発電機61、復水器83及びポンプ82が備えられ、復水器83には補給水33が供給できるようになっている。燃料改質器7は、単筒もしくは複数の円筒容器から構成され、各円筒容器内部で高温・高圧水と重質油が混合する。この高温・高圧水が持つ作用として、重質油との均一層を形成し、重質油中の比較的高分子の油を分解、軽質化するとともに、油分子中に結合しているバナジウムなどの重金属を分離させる働きがある。燃料改質器7内で、重質油改質および重金属除去が行われる。そして、改質された改質燃料90は減圧器100で減圧された後、燃焼器3に供給され、燃焼用空気によって燃焼することにより、ガスタービン2を駆動して発電するシステムとなっている。ここで、重質油改質系をガスタービンに適用したガスタービン発電システムにおいて、主要機器による全体構成のヒートバランスは成立しているものの、具体的な各個別機器の詳細な構造、システム、および熱的評価、検討はなされていないのが現状である。それ故、本発明では、起動等における非定常状態や定格運転における定常状態での熱収支を考慮した機器のシステム検討を行い、以下に示すシステム構成を提案する。

図１は、本発明の第一の実施例を示している。図1に示すガスタービン発電システムは、図５に示すガスタービン発電システムに備えられた機器のほかに、減圧器100で減圧後の改質燃料90を気体と液体に分離するための気液分離器101、気液分離器で得られた高温の液体改質燃料92を冷却するための改質油熱交換器102をそれぞれ有している。ここで、改質油熱交換器102を用いて高温の液体改質燃料92を冷却する際、常温で供給する重質油40の加熱源として用いることにより、熱の回収が可能となる。すなわち、改質油熱交換器102において、高温の液体改質燃料92と常温の重質油40を熱交換することによって、高温の液体改質燃料92は冷却され、反対に常温の重質油40は加熱される。このようにすることによって、高温の液体改質燃料の熱エネルギーが常温の重質油の加熱源となることから熱回収されることとなり、同時に、加熱された重質油の熱エネルギー分を、その後、重質油加熱器5で用いる加熱用の高温水蒸気量として減少できる。そのことはまた、蒸気タービン6に供給する蒸気タービン用水蒸気50の量を増加できることを意味しており、蒸気タービン発電量を増加できるメリットがある。なお、本実施例では、気液分離器で得られた気体改質燃料91も燃焼器3へ供給されている。

図２は、本発明の第二の実施例を示している。その構造は基本的に図１と同様であり、相違点は改質油熱交換器102で冷却された液体改質燃料92をガスタービンの燃焼器3へ供給する系統に改質油タンク103を設けたことである。改質油タンク103を設けたことにより、液体改質燃料を直接、燃焼器に供給するのではなく、一旦、改質油タンクに溜めてから供給することとなり、急なガスタービンの負荷変動に対して、改質燃料側においても供給流量変化の対応が可能となる。

図３は、本発明の第三の実施例を示している。その構造は基本的に図１と同様であり、相違点は気液分離器101で得られた液体改質燃料92を改質油熱交換器102へ供給する系統に、液体改質燃料92を加熱するための加熱器110を設けたことである。ガスタービン発電設備が停止状態のときには、液体改質燃料が気液分離器101内で長時間放置された状態で貯蔵さることとなり、温度が常温または常温近傍の温度にまで低下する。その後、ガスタービンの起動時において、常温の液体改質燃料92を改質油熱交換器102に供給しても常温の重質油40と熱交換を行うことはできず、その結果、目標の温度の加熱重質油41を生成させることはできない。目標の温度の加熱重質油41を生成させるためには、重質油加熱器5に供給する重質油加熱用水蒸気51の量を、改質油熱交換器102で交換する熱量分を増加させると同時に、改質油熱交換器102の大型化を招く結果となり、改質油熱交換器102の設計の最適化を図ることが難しい。このような起動時における熱バランス的問題を解消するため、液体改質燃料92の供給系統において、気液分離器101と改質油熱交換器102の中間に加熱器110を設けて液体改質燃料92を加熱するようにした。このようにすれば、定格運転状態とほぼ同じ熱バランスが得られ、支障を来たすことがない。ここで、加熱器110に供給するエネルギー源は、電気エネルギーでも高温水蒸気でも良く、特に限定するものではない。

図４は、本発明の第四の実施例を示している。その構造は基本的に図１と同様であり、相違点は重質油加熱器5で加熱された重質油の温度を検出する温度検出器121、重質油加熱用水蒸気51の供給量を変える水蒸気制御弁122、および温度検出器121から得られた検出信号によって水蒸気制御弁122の開度をコントロールする制御器120を設けたことである。これにより、重質油加熱器5から加熱されて出てきた重質油の温度を温度検出器121によって検出し、その温度が設定目標温度と比べて、高温側もしくは低温側を示した場合に、制御器120によって水蒸気制御弁122をコントロールし、設定目標温度を維持することができる。

本発明により、重質油を高温・高圧水と反応させて改質燃料を製造する重質油改質装置を適用したガスタービン発電システムにおいて、システム全体のヒートバランスを考慮して熱エネルギーの有効利用を図ることができた。本発明は、実機への適用可能性が極めて高いシステム構成であり、実用上の効果は大きい。

本発明による高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの第一の実施例を示す概要図である。 本発明による高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの第二の実施例を示す概要図である。 本発明による高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの第三の実施例を示す概要図である。 本発明による高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムの第四の実施例を示す概要図である。 本発明の前提となる高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムを示す概要図である。

符号の説明

1…空気圧縮機、2…ガスタービン、3…燃焼器、4…排熱回収ボイラ、5…重質油加熱器、6…蒸気タービン、7…燃料改質器、10…軽油、20…空気、30…水、31…高温・高圧水、32…改質燃料、33…補給水、40…重質油、41…加熱重質油、50…蒸気タービン用水蒸気、51…重質油加熱用水蒸気、60…発電機、61…発電機、80…水加圧ポンプ、81…重質油加圧ポンプ、82…ポンプ、83…復水器、90…改質燃料、91…気体改質燃料、92…液体改質燃料、100…減圧器、101…気液分離器、102…改質油熱交換器、103…改質油タンク、110…加熱器、120…制御器、121…温度検出器、122…水蒸気制御弁。

Claims (5)

1. ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置で得られた高温・高圧水を重質油と混合して反応させ重質油から改質燃料を製造する燃料改質器を備え、改質燃料をガスタービンの主燃料として発電を行うガスタービン発電システムにおいて、前記燃料改質器で得られた改質燃料を減圧する減圧器と、減圧後の改質燃料を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液体改質燃料を重質油と熱交換させる改質油熱交換器とを設け、前記改質油熱交換器で重質油と熱交換させることによって冷却された液体改質燃料をガスタービンの主燃料として発電を行うようにしたことを特徴とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム。
2. 請求項１において、前記改質油熱交換器で冷却された液体改質燃料をガスタービンへ供給する系統に冷却後の液体改質燃料を貯蔵する改質油タンクを設けたことを特徴とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム。
3. 請求項１において、前記気液分離器で分離された液体改質燃料を前記改質油熱交換器へ供給する系統に加熱器を設けたことを特徴とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム。
4. 請求項１において、前記改質油熱交換器で加熱された重質油が前記燃料改質器へ供給されるようにし、その供給系統に高温水蒸気で重質油を加熱する重質油加熱器を設けたことを特徴とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム。
5. 請求項４において、前記重質油加熱器で加熱された重質油の温度を検出する温度検出器と、前記重質油加熱器に供給する高温水蒸気の供給量を変える水蒸気制御弁と、前記温度検出器からの検出信号によって前記水蒸気制御弁の開度をコントロールする制御器とを設けたことを特徴とする高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システム。
   

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