JP2006077698A - Gas reforming equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガス改質設備に関する。さらに詳しくは、低カロリガス(たとえば高炉ガス(BFG)およびその他の製鉄プロセス副生ガスである)をガスタービンの燃料として使用する際に、継続的な安定燃焼を可能とするため、上記低カロリガスに改質ガスを付加混入することによって燃料ガスのガス成分またはガスカロリの調整を行うガス改質設備に関する。 The present invention relates to a gas reforming facility. More specifically, when using low calorie gas (for example, blast furnace gas (BFG) and other iron production process by-product gas) as a gas turbine fuel, the low calorie gas is used to enable continuous stable combustion. The present invention relates to a gas reforming facility that adjusts a gas component or gas calorie of fuel gas by additionally mixing reformed gas.
従来、低カロリガスの活用例として、たとえば製鉄分野におけるBFG等の副生ガスをガスタービンの燃料として用いることによって発電等を行う事例が増加している。一方、高炉内のエネルギ効率が向上しているため、プロセス排ガスとしてのBFGの発熱量が年々低下してきている。かかる低カロリの高炉ガスを燃料とした場合はガスタービンの失火が生じやすく、失火した場合にはガスタービンは緊急停止する。また、水素含有量の少ないBFGの場合は着火保炎性が悪いため、失火状態となり易い。さらに、上記低カロリガスにはその発熱量や発生量が変動するものもある。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an example of utilizing low calorie gas, there are an increasing number of cases where power generation or the like is performed by using a by-product gas such as BFG in the steelmaking field as a fuel for a gas turbine. On the other hand, since the energy efficiency in the blast furnace is improved, the calorific value of BFG as process exhaust gas is decreasing year by year. When such low calorie blast furnace gas is used as fuel, misfire of the gas turbine is likely to occur, and in the event of misfire, the gas turbine is stopped urgently. In addition, in the case of BFG with a low hydrogen content, the ignition flame holding property is poor, and therefore a misfire condition is likely to occur. Furthermore, some of the above low calorie gases vary in calorific value and generation amount.
かかる問題を解消せんとして低カロリなBFGに、コークス炉ガス(COGともいう)や天然ガス(NGともいう)を混合することによって発熱量やガス量そのものを増大して燃焼させることが提案されている(特許文献1および特許文献2参照)。 In order to solve this problem, it has been proposed to increase the calorific value and the amount of gas itself by combusting low calorie BFG with coke oven gas (also called COG) or natural gas (also called NG). (See Patent Document 1 and Patent Document 2).
COGを使用する理由は、COGが中カロリガスであり、低カロリガスとのカロリ差が小さいため、混合しやすいことと、COGの主成分が水素であるので低カロリガス中の水素含有量を増加させることにより着火保炎性をよくすることができるためである。 The reason for using COG is that it is easy to mix because COG is medium calorie gas and the calorie difference from low calorie gas is small, and the hydrogen content in low calorie gas is increased because the main component of COG is hydrogen. This is because the flame retardancy can be improved.
しかしながら、COGはどこでも容易に入手できるというガスではない。また、COGにはアンモニア、シアン化水素等が多く含まれており、燃焼によって有害な窒素酸化物が多量に発生する。さらに、COGに含まれる窒素酸化物とブタジエン・シクロペンタジェン等の不飽和炭化水素とが重合反応して高分子のガム状物質(NO−Gumとも呼ばれる)が生成され、これによって燃料制御弁やガスタービンノズル等に不具合が生じる可能性がある。これらの問題を解消するには大規模なCOGの前処理設備(アンモニアおよびシアン化水素の除去、水素添加のための装置)が必要となる。また、COGは硫化水素(H2S)も多く含むため、燃焼後の排気ガス中の二酸化硫黄の濃度を減少させるための脱硫装置が必要となる場合もある。このように、設備コストが大幅に上昇し、さらにその保守負荷が増大する。 However, COG is not a gas that is readily available everywhere. In addition, COG contains a large amount of ammonia, hydrogen cyanide and the like, and a large amount of harmful nitrogen oxides are generated by combustion. Furthermore, nitrogen oxides contained in COG and unsaturated hydrocarbons such as butadiene / cyclopentagen undergo a polymerization reaction to produce a polymeric gum-like substance (also called NO-Gum). There is a possibility that problems may occur in the gas turbine nozzle. In order to solve these problems, a large-scale COG pretreatment facility (a device for removing ammonia and hydrogen cyanide and adding hydrogen) is required. In addition, since COG contains a large amount of hydrogen sulfide (H2S), a desulfurization device may be required to reduce the concentration of sulfur dioxide in the exhaust gas after combustion. In this way, the equipment cost is significantly increased and the maintenance load is further increased.
一方、NGを混合する場合、一般的なNGは水素を含まないため、COGを混合する場合と比較して燃料ガスを燃焼安定性保持のため高カロリにせざるを得ない。その結果、燃焼時にいわゆる thermal NO を増加させる。また、NGが含有する可燃性成分はメタンを主とした炭化水素がほとんどであり、低カロリガスへの混合によって低カロリガスの組成を大きく変化させる畏れがある。また、天然ガスは高カロリガス(約40MJ/m3N )であり、低カロリ副生ガスのカロリ(約12MJ/m3N 以下)とは大きな差がある。このため、NGの増熱効果が著しいので、増熱の際の低カロリ副生ガスと天然ガスとの混合比を小さくせざるを得ず、その結果、増熱による一様なガス混合性の確保が困難となる。その不一様性の偏差が大きい場合、その影響はガスタービンでの燃焼時に現れ、燃焼温度の不均一を生じる。この不均一がはなはだしい場合にはガスタービンの燃焼器やタービン部を損傷させる。
本発明者らは、BFG等の低カロリガスを燃料ガスとして安定して燃焼させるには、低カロリガスに高カロリガスを混合してこの混合ガスの発熱量を増化させることによって安定燃焼を確保するという一義的な方法ではなく、同時に低カロリガス中の水素含有量を安定燃焼に必要なレベルまで増加させることが有効であることに着目した。水素ガスは着火保炎性がよく、この性質を有効利用できるからである。 In order to stably burn low calorie gas such as BFG as a fuel gas, the inventors of the present invention ensure stable combustion by mixing high calorie gas with low calorie gas and increasing the calorific value of this mixed gas. We focused on the fact that it is not a unique method, but it is effective to increase the hydrogen content in the low calorie gas to the level necessary for stable combustion at the same time. This is because hydrogen gas has a good ignition flame holding property and can effectively use this property.
また、本発明者らは、低カロリガスの燃焼装置への供給量が減少し、たとえば、燃焼装置の一種であるガスタービンの出力を下げざるを得ない場合や、ガスタービンの部分負荷運転を含めた安定運転が困難な状態となる場合、ガス改質設備によって低〜中カロリガス(発熱量が20MJ/m3N 程度のガス)を発生させて、低カロリガスに混合することにより、低カロリガスを増熱することを実現し、ガスタービンの運転を継続できることに着目した。これは、低カロリガスの増熱に天然ガスのような高カロリガスを用いた場合、低カロリガスに対する高カロリガスの混合比が小さいために一様なガス混合性の確保が困難となる反面、低〜中カロリガスの場合にはその混合比を大きくできること、混合する二種類のガスのカロリ差が小さいために一様なガス混合性の確保が容易となること、且つ、着火保炎性のよい水素ガス量も混合後に増加することからである。 In addition, the present inventors have reduced the amount of low calorie gas supplied to the combustion device, for example, when it is necessary to reduce the output of a gas turbine that is a kind of combustion device, and include partial load operation of the gas turbine. When stable operation becomes difficult, low to medium calorie gas (gas with a calorific value of about 20 MJ / m 3 N) is generated by gas reforming equipment and mixed with low calorie gas to increase low calorie gas. We paid attention to the fact that it was possible to heat and continue the operation of the gas turbine. This is because when high calorie gas such as natural gas is used to increase the heat of low calorie gas, the mixing ratio of high calorie gas to low calorie gas is small, so it is difficult to ensure uniform gas mixing, but low to medium In the case of calorie gas, the mixing ratio can be increased, the difference in calorie between the two gases to be mixed is small, and it is easy to ensure uniform gas mixing, and the amount of hydrogen gas with good ignition flame holding property Also increases after mixing.
本発明はかかる経緯からなされたものであり、ガスタービンの燃料ガスとして低カロリガスを用いる場合、これに改質ガスを加えて低カロリガスを改質し、燃焼安定性を実現するためのガス改質設備を提供することを目的としている。 The present invention has been made based on such circumstances, and when low calorie gas is used as the fuel gas of a gas turbine, the reformed gas is added thereto to reform the low calorie gas, and gas reforming for realizing combustion stability. The purpose is to provide facilities.
上記目的のために本発明のガス改質設備は、
天然ガス供給ラインおよび空気供給ラインを有し、天然ガスと空気とを混合させ、この混合気体を化学反応させて改質することによって水素ガスを含有する改質ガスを製造するための反応筒を有する改質ガス製造装置と、
低カロリガスとこの改質ガス製造装置から供給される改質ガスとを混合してガスタービン設備に燃料ガスとして供給するための混合調整装置と、
上記改質ガス製造装置から上記混合調整装置へ改質ガスを供給するための改質ガス供給通路と、
上記混合調整装置からガスタービン設備に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、
上記改質ガス製造装置および混合調整装置の動作を制御するための制御装置とを備えて
いる。
For the above purpose, the gas reforming equipment of the present invention comprises:
A reaction cylinder having a natural gas supply line and an air supply line, for mixing a natural gas and air, and chemically reforming the mixed gas to reform to produce a reformed gas containing hydrogen gas. Having a reformed gas production apparatus;
A mixing adjustment device for mixing the low calorie gas and the reformed gas supplied from the reformed gas production device and supplying the mixture to the gas turbine equipment as a fuel gas;
A reformed gas supply passage for supplying the reformed gas from the reformed gas manufacturing apparatus to the mixing and adjusting apparatus;
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the mixing adjusting device to the gas turbine equipment;
And a control device for controlling the operation of the reformed gas production device and the mixing adjusting device.
低カロリガスとは、たとえば高炉ガス(BFG)、直接還元製鉄法や溶融還元製鉄法によって発生する副生ガス、GTL(Gas to Liquids)プロセスにおいて発生するテイルガス、オイルサンドからオイル精製プロセスに伴って発生する副生ガス、プラズマを用いたゴミ焼却によって発生するガス、および、その他の類似の高熱によって原料を熱化学反応させることに伴って発生する副生ガス等の低カロリガスを含む。天然ガスは液化天然ガスをも含んでいる。 Low-calorie gas is generated from blast furnace gas (BFG), by-product gas generated by direct reduction ironmaking and smelting reduction ironmaking, tail gas generated in GTL (Gas to Liquids) process, and oil sand, which is generated along with oil refining process By-product gas, gas generated by incineration of dust using plasma, and low-calorie gas such as by-product gas generated by thermochemical reaction of the raw material by other high heat. Natural gas also includes liquefied natural gas.
また、上記改質ガス製造装置が、プロセス蒸気供給ラインをさらに備えており、天然ガスと空気の混合気体にさらにプロセス蒸気を加えて化学反応させることにより改質して得られる改質ガスを上記混合調整装置へ供給しうるように構成されているのが好ましい。プロセス蒸気の混合によって改質ガスの水素濃度がさらに上昇するからである。 The reformed gas production apparatus further includes a process steam supply line, and the reformed gas obtained by reforming by adding a process steam to a mixed gas of natural gas and air to cause a chemical reaction is provided above. It is preferable that it is configured so that it can be supplied to the mixing adjusting device. This is because the hydrogen concentration of the reformed gas is further increased by mixing the process steam.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に燃料ガスの水素濃度検出器をさらに備え、
上記制御装置が上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成するのが好ましい。
A fuel gas hydrogen concentration detector is further provided in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage,
It is preferable that the control device is configured to adjust the amount of reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on detection information of the hydrogen concentration detector.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に燃料ガスの水素濃度検出器をさらに備え、
上記制御装置が上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより、改質ガスの水素濃度を変更するように構成するのが好ましい。
A fuel gas hydrogen concentration detector is further provided in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage,
The control device is configured to change the hydrogen concentration of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. preferable.
上記改質ガス製造装置がプロセス蒸気供給ラインを備えているものにおいて、上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの水素濃度検出器をさらに備え、
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの水素濃度を変更するように構成するのが好ましい。プロセス蒸気の混合によって改質ガスの水素濃度の調整幅が拡がるからである。
The reformed gas production apparatus includes a process steam supply line, and further includes a fuel gas hydrogen concentration detector disposed in at least the fuel gas supply path of the reformed gas supply path and the fuel gas supply path. Prepared,
The control device changes the hydrogen concentration of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. It is preferable to configure. This is because the adjustment range of the hydrogen concentration of the reformed gas is expanded by mixing the process steam.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの水素濃度検出器と、
上記混合調整装置内に配設された、燃料ガスを希釈用ガスによって希釈するための希釈ガス供給装置とをさらに備え、
上記制御装置が上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて燃料ガスに対して希釈ガス供給装置から希釈ガスを混合するように構成するのが好ましい。
A hydrogen concentration detector for a fuel gas disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
A dilution gas supply device for diluting the fuel gas with the dilution gas, disposed in the mixing adjustment device;
Preferably, the control device is configured to mix the diluent gas from the diluent gas supply device with respect to the fuel gas based on the detection information of the hydrogen concentration detector.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの水素濃度検出器をさらに備え、
上記制御装置が上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより改質ガスの発熱量を変更するように構成するのが好ましい。
A fuel gas hydrogen concentration detector disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
Preferably, the controller is configured to change the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. .
上記改質ガス製造装置がプロセス蒸気供給ラインを備えているものにおいて、上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの水素濃度検出器をさらに備え、
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成するのが好ましい。
The reformed gas production apparatus includes a process steam supply line, and further includes a fuel gas hydrogen concentration detector disposed in at least the fuel gas supply path of the reformed gas supply path and the fuel gas supply path. Prepared,
The control device changes the heat generation amount of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. It is preferable to configure.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの発熱量計測手段をさらに備え、
上記制御装置が上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成するのが好ましい。
A fuel gas calorific value measurement means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
It is preferable that the control device is configured to adjust the amount of reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on the detection information of the calorific value measuring means.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの発熱量計測手段をさらに備え、
上記制御装置が上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより改質ガスの発熱量を変更するように構成するのが好ましい。
A fuel gas calorific value measurement means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
Preferably, the controller is configured to change the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the calorific value measuring means. .
上記改質ガス製造装置がプロセス蒸気供給ラインを備えているものにおいて、上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの発熱量計測手段をさらに備え、
上記制御装置が、上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成するのが好ましい。
The reformed gas production apparatus includes a process steam supply line, and further includes a fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage. Prepared,
The control device changes the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the calorific value measuring means. It is preferable to configure.
上記燃料ガス供給通路に配設された通路の内圧を計測する圧力計測手段をさらに備え、
上記制御装置が、上記圧力計測手段の計測情報に基づいて、改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成するのが好ましい。
Pressure measuring means for measuring the internal pressure of the passage disposed in the fuel gas supply passage,
It is preferable that the control device is configured to adjust the amount of the reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on the measurement information of the pressure measuring means.
上記改質ガス供給通路および燃料ガス供給通路のうち少なくとも燃料ガス供給通路に配設された燃料ガスの発熱量計測手段と、
上記混合調整装置内に配設された、燃料ガスを希釈用ガスによって希釈するための希釈ガス供給装置とをさらに備え、
上記制御装置が上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて燃料ガスに対して希釈ガス供給装置から希釈ガスを混合するように構成するのが好ましい。
A fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
A dilution gas supply device for diluting the fuel gas with the dilution gas, disposed in the mixing adjustment device;
Preferably, the control device is configured to mix the dilution gas from the dilution gas supply device to the fuel gas based on the detection information of the calorific value measurement means.
上記改質ガス製造装置が、その反応筒における化学反応の促進のために、ガスタービン設備から加熱用の蒸気を供給するための加熱用蒸気供給ラインをさらに備えるのが好ましい。 The reformed gas manufacturing apparatus preferably further includes a heating steam supply line for supplying heating steam from the gas turbine equipment in order to promote a chemical reaction in the reaction cylinder.
上記改質ガス製造装置が、その反応筒における化学反応の促進のための加熱用に、上記加熱用蒸気供給ラインに加えて、ガスタービン設備から高温圧縮空気を取り出して反応筒に供給する抽気ラインをさらに備え、蒸気と高温抽気とを選択的に供給しうるように構成されているのが好ましい。反応筒における化学反応を開始させる時点で、未だ当該設備内で蒸気が発生していない過渡的状態であるが故に反応を加速させるに必要となる熱源を得ることができるからである。 In addition to the heating steam supply line, the reformed gas production apparatus takes out high-temperature compressed air from the gas turbine equipment and supplies it to the reaction cylinder for heating to promote a chemical reaction in the reaction cylinder. It is preferable that it is further comprised, and it is comprised so that a vapor | steam and high temperature extraction can be selectively supplied. This is because at the time of starting the chemical reaction in the reaction cylinder, a heat source necessary for accelerating the reaction can be obtained because it is a transient state in which no steam is generated in the equipment.
上記改質ガス製造装置が、その改質ガス供給通路に熱交換手段を有しており、この熱交換手段が、反応筒へ供給される天然ガスおよび空気の混合気体と上記混合調整装置へ供給される改質ガスとの熱交換を行うように構成されているのが好ましい。高温化された改質ガスを適度な温度に冷却しうるとともに、反応に先立って混合気体を予熱することができるからである。 The reformed gas production apparatus has a heat exchanging means in its reformed gas supply passage, and the heat exchanging means supplies the mixed gas of natural gas and air supplied to the reaction cylinder and the mixing adjusting apparatus. It is preferable that the heat exchange with the reformed gas is performed. This is because the reformed gas having a high temperature can be cooled to an appropriate temperature, and the mixed gas can be preheated prior to the reaction.
上記改質ガス供給通路が、上記混合調整装置へ供給される改質ガスを冷却するための冷却手段を有しているのが好ましい。 It is preferable that the reformed gas supply passage has a cooling means for cooling the reformed gas supplied to the mixing adjusting device.
上記冷却手段が、改質ガス供給通路における上記熱交換手段の下流側に配設されており、改質ガス中の液分を凝縮して除去するように構成されているのが好ましい。 It is preferable that the cooling means is disposed downstream of the heat exchange means in the reformed gas supply passage, and is configured to condense and remove the liquid component in the reformed gas.
上記改質ガス供給通路にバッファタンクが配設されており、このバッファタンクが改質ガス流量の変動を吸収することにより、上記混合調整装置へ供給される改質ガスの圧力が安定するように構成されているのが好ましい。混合調整装置において低カロリガスに対する改質ガスの均一な混合が可能となるからである。 A buffer tank is disposed in the reformed gas supply passage, and the buffer tank absorbs fluctuations in the reformed gas flow rate so that the pressure of the reformed gas supplied to the mixing and adjusting device is stabilized. Preferably, it is configured. This is because the reforming gas can be uniformly mixed with the low calorie gas in the mixing adjusting device.
本発明によれば、不純物のほとんど無いNGを改質して水素ガスを顕在させ、この水素ガスを含有するクリーンな改質ガスをBFG等の低カロリガスに対する改質ガスとして用いることができる。その結果、低カロリガスの水素ガス含有率を安定化させる等、低カロリガスを安定した燃料として改質することができる。 According to the present invention, NG containing almost no impurities can be reformed to reveal hydrogen gas, and a clean reformed gas containing this hydrogen gas can be used as a reformed gas for low calorie gas such as BFG. As a result, the low calorie gas can be reformed as a stable fuel, for example, by stabilizing the hydrogen gas content of the low calorie gas.
また、低カロリガスの供給量が減少した場合でも、低カロリガスとの混合性がよく且つ着火保炎性がよい水素ガスを含有する改質ガスによって低カロリガスを増熱することにより、設備の運転を安定的に継続することができる。 In addition, even when the supply amount of low calorie gas decreases, the operation of the facility can be operated by increasing the low calorie gas with a reformed gas containing hydrogen gas that has good miscibility with low calorie gas and good ignition stability. It can continue stably.
添付の図面を参照しながら本発明のガス改質設備の実施形態を説明する。 Embodiments of the gas reforming equipment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態であるガス改質設備(以下、単に設備という)の概略を示すブロック図である。この設備はガスタービン発電設備1に低カロリガス(以下、本実施形他ではBFGで代表させる)を主体とした燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管2と、改質ガスを製造する改質ガス製造設備3と、改質ガス製造設備3から改質ガスを燃料ガス供給配管2に合流させる改質ガス供給配管4と、燃料ガス供給配管2と改質ガス供給配管4との合流点に配設された、BFGと改質ガスとを混合して燃料ガスの調整を行う混合調整装置5とを備えている。ガスタービン発電設備1には排熱を有効利用する付帯設備6が付設されている。改質ガス製造設備3には改質ガスの原料となるNG、空気およびプロセス蒸気(以下、水蒸気という)を供給するNG供給配管7、空気供給配管8およびプロセス蒸気配管91が接続されている。さらに、改質ガス製造設備3には、そこでNGを部分酸化反応させるために加熱する加熱用蒸気供給配管9およびガスタービン抽気空気配管(以下、単に抽気配管という)92が接続されている。また、この設備1には、改質ガスの製造、改質ガスの供給、および、BFGと改質ガスとの混合調整を制御するための制御装置10が設置されている。
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a gas reforming equipment (hereinafter simply referred to as equipment) according to an embodiment of the present invention. This facility includes a fuel
上記改質ガス製造設備3ではNGを空気と混合して部分酸化し、NG中のメタンガス(CH4)を分解して水素ガス(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、水分(H2O)を顕在化させる。液化した水分はドレンとして排出されるが、その他は全て改質ガスとしてBFGに混合される。このように、NGを分解するだけであって純水水素を取り出すのではないので、脱硫、タール除去、ナフタリン除去などの前処理設備は不要である。また、可燃成分としてCH4、H2、COが得られる。NGと空気との混合比を変えることによってこれら可燃成分の割合を調節することが可能である。したがって、燃料ガスとして選択される低カロリガスの成分に適合させることが可能である。
In the reformed
使用するNGが低圧である場合と高圧である場合とで配管設備が若干異なるが、図1では両者を併せて記載している。たとえば、上記改質ガス供給配管4は、NGが低圧か高圧かによって異なるが、図1では低圧改質ガス供給配管4aと高圧改質ガス供給配管4bとが合わせて示されている。低圧のNGとは、改質ガス製造設備3に供給されるNGがガスタービンへの供給燃料に対して要求される圧力よりも低い圧力の場合を言う。高圧のNGとは、逆にガスタービンへの供給燃料に対して要求される圧力よりも高い圧力のNGを言い、たとえば液化天然ガスを閉所において気化させた状態のものである。
The piping equipment is slightly different depending on whether the NG to be used is a low pressure or a high pressure, but FIG. 1 shows both of them together. For example, the reformed
低圧NGを使用して得られる改質ガスの圧力も低いものとなる。この場合、低圧の改質ガスは低圧改質ガス供給配管4aを通して混合調整装置5に送られ、ここでBFGと混合される。混合調整装置5では、燃料ガス中の水素ガス含有率が所定範囲となるように、改質ガス供給配管4aからBFGに対して供給される改質ガスの量を調整すると共に希釈ガスを必要に応じて供給する。ガスタービン発電設備1ではこの改質された混合BFGを燃料としてガスタービンを運転し、発電する。付帯設備6には後述するように、ガスタービン36からの排熱を利用する排熱回収ボイラー41や蒸気タービン42が設置されている。
The pressure of the reformed gas obtained using the low-pressure NG is also low. In this case, the low-pressure reformed gas is sent to the
高圧NGを用いる場合は、後述するように空気供給配管8も高圧用のものを用いるので、低圧NGを用いる場合とでは異なる。また、高圧NGを使用して得られる改質ガスの圧力は高いものとなる。高圧の改質ガスは混合調整装置5には送られずに、高圧改質ガス供給配管4bを通してガスタービン発電設備1内の燃料ガス供給配管2に直接送られ、ここでBFGと混合される。
When high pressure NG is used, the
図2〜3を参照しつつ上記各設備2、3、5、6を説明するが、まず、低圧NGを使用する場合について説明し、その後で、高圧NGを使用する場合についての差違点について説明する。
Each of the
(低圧改質ガス製造設備3の構成)
図2には改質ガス製造設備3を構成する機器配管の概念図が示されている。実機においては、各機器の数量、配管順序等が変更されることはあり得る。また、予備機器、予備系統、保守用装置、監視用装置、高機能化、高精度化、安定化、簡易化等に限らず、設備設計者や使用者の意図により、本発明の範囲内において詳細各部が変更される場合があり得る。
(Configuration of low pressure reformed gas production facility 3)
FIG. 2 shows a conceptual diagram of equipment piping constituting the reformed
改質ガス製造設備3はNGと空気とを混合するための第一混合器11、混合された気体を加熱することによって部分酸化させる反応筒12、および、反応筒12に送られる混合気体と反応熱によって高温化された気体との熱交換を行う熱交換器13を備えている。混合気体の化学反応に必要な温度まで反応筒12を加熱するために、反応筒12に接続された加熱用蒸気供給配管9からは水蒸気が供給され、または、ガスタービン空気圧縮機38a(図4参照)から反応筒12に接続された上記抽気配管92からは抽気された高温圧縮空気が流調弁103を通して供給される。抽気配管92には温度計89が設置されている。上記ガスタービン空気圧縮機38aからの高温圧縮空気が利用できないときに加熱用蒸気供給配管9からの水蒸気を用いる。また、水蒸気や高温圧縮空気は反応筒12の起動時のみ供給され、反応開始後は混合気体自らの反応熱によって反応が継続される。
The reformed
この改質ガス製造設備3の各配管には各種の計測機器および流量調整弁(以下、流調弁という)が設置されている。これらを流体の流れに沿って説明する。
Various measuring devices and flow control valves (hereinafter referred to as flow control valves) are installed in each pipe of the reformed
まず、NG供給配管7を通して供給されるNGは、流調弁51を通ったあとミストセパレータ14に至って液分が除去される。改質ガス製造設備3の第一混合器11へ至る配管7には圧力計61と流量計71が設置されている。第一混合器11にも圧力計63が設置されている。
First, NG supplied through the
空気供給配管8を通して供給される空気は、フィルタ15によって除塵されたあと、昇圧ファン16により、流調弁52a、52bを通して第一混合器11へ圧送される。第一混合器11において、空気はNGと混合される。この空気供給配管8における上記流調弁52aの下流に圧力計62および流量計72が設置されている。また、空気供給配管8には上記昇圧ファン16をバイパスするバイパス配管16aが配設されている。このバイパス配管16aには流調弁53が設置されている。このバイパス配管16aは昇圧ファン16の連続運転が可能な最小流量を確保するためのものである。
The air supplied through the
一方、プロセス蒸気配管91を通して供給される水蒸気は流調弁93を通ったあと第三混合器94に供給され、NGと空気との混合ガスに混合される。符号76は流量計である。
On the other hand, the water vapor supplied through the
改質ガス製造設備3においては、第一混合器11によって空気とNGとが混合されてなる混合気体が熱交換器13によって昇温されたあと、反応筒12に送られる。熱交換器13の上流側および下流側の混合気体供給配管17にはそれぞれ温度計81、82が設置されている。反応筒12および加熱用蒸気供給配管9にもそれぞれ温度計83、84が設置されている。反応筒12では、NGが部分酸化されてその含有CH4がH2、CO、CO2、H2Oに分解される。これらは分離されることなく改質ガスとして改質ガス供給配管4に送られる。この改質ガス供給配管4中の改質ガスは、前述の熱交換器13を通ることによってNGと空気との混合気体によって冷却される。反応筒12と熱交換器13との間の改質ガス供給配管4の部分には圧力計64と温度計85とが設置されている。
In the reformed
改質ガス供給配管4は改質ガス製造設備3から混合調整装置5の第二混合器18まで延設されている。改質ガス製造設備3から出たあとの改質ガス供給配管4には冷却器19およびバッファタンク20が配設されている。バッファタンク20は改質ガス流量の変動を吸収するためのものである。改質ガスは冷却器19によって冷却され、凝縮した液分はドレンとして排出される。その後、改質ガスはバッファタンク20に所定量充満された状態で、流調弁54によって流量調整されつつ第二混合器18に送られる。流調弁54によって流量調整された改質ガスの流量は、流調弁の下流に設置された流量計73によって検出される。
The reformed
冷却器19とバッファタンク20との間の改質ガス供給配管4の部分には、改質ガス流れの下流に向かって、温度計86、H2濃度計21、O2濃度計22、CO濃度計23およびCH4濃度計24が設置されている。バッファタンク20には圧力計64が設置されている。改質ガス供給配管4にはバッファタンク20をバイパスするバイパス配管25が配設されている。
In the portion of the reformed
(混合調整装置5の構成)
つぎに、図3を参照しつつ混合調整装置5を説明する。混合調整装置5にはBFG供給配管26が接続されている。BFG供給配管26には温度計87、バッファタンク27および圧力計65が設置されている。バッファタンク27はBFGの流量が変動した場合に、それに起因する圧力の変動を緩和するためのものである。
(Configuration of mixing adjustment device 5)
Next, the mixing
混合調整装置5におけるBFG供給配管26には、CH4濃度計111、CO濃度計28、H2濃度計29、上記第二混合器18およびH2希釈装置30が、流体流れの下流に向かって順に設置されている。ただし、この機器の配置は例示であってこれに限定されるものではない。BFGと改質ガス(H2、CO、CO2、H2O等)とは、第二混合器18によって混合されて混合ガス(燃料ガス)となり、燃料ガス供給配管2を通してガスタービン発電設備1の燃料圧縮機35(図4参照)に送られる。
A
H2希釈装置30は燃料ガス中のH2濃度が所定範囲を超えたときにN2ガスを混合してH2濃度を低下させるためのものである。このH2希釈装置30には図示しない窒素ガス(N2)供給源から希釈用ガスとしてのN2ガスを供給する供給配管31が接続されている。N2供給配管31には流調弁55と流量計74とが設置されている。
The
混合調整装置5からガスタービン発電設備1に至る燃料ガス供給配管2には、下流に向けて除塵器32、CO濃度計112、H2濃度計33、CH4濃度計113、圧力計66、温度計88およびカロリメータ(たとえばガス分析器)34が設置されている。
The fuel
(ガスタービン発電設備1の構成)
図4を参照すると、ガスタービン発電設備1における燃料ガス供給配管2にはモーターMで駆動される上記燃料圧縮機35が設置され、燃料ガスはこの燃料圧縮機35により、燃料ガス供給配管2を通して上記ガスタービン36の燃焼器37に圧送される。燃料圧縮機35と燃焼器37との間の燃料ガス供給配管2の部分には流量計75と流調弁56とが設置されている。ガスタービン36には発電機38が接続されている。符号38aはガスタービンの空気圧縮機である。上記燃料圧縮機35にはバイパス配管39が配設されている。このバイパス配管39は、圧縮機38aの出口の燃料ガス圧力を所定の圧力に制御するためのものであり、流調弁57と冷却器40とを備えている。
(Configuration of gas turbine power generation facility 1)
Referring to FIG. 4, the fuel
このガスタービン発電設備1に付設された付帯設備6は、排熱回収ボイラー41、この排熱回収ボイラー41の水蒸気によって発電するための蒸気タービン42、および、排ガスを放散するための煙突43である。もちろん蒸気タービン42には発電機44が接続されている。また、排熱回収ボイラー41から所定のユースポイントUPへ水蒸気を供給するための蒸気供給配管45が設置されており、この蒸気供給配管45には流調弁58が設置されている。この蒸気供給配管45によって前述の反応筒12に加熱用の水蒸気を供給してもよい。
以上のガス改質設備は上記制御装置10によってその運転が制御される。制御装置10は、BFGに改質ガスや希釈用ガスを必要量混合してBFGの特性を改良するための混合調整装置5の制御と、この混合調整装置5からの要求指令によってNGと空気との混合ガスから所用の改質ガスを製造するための改質ガス製造装置3の制御とを行う。以下の通りである。
The operation of the above gas reforming equipment is controlled by the
(改質ガス製造装置3の制御)
NGを化学反応させて得られる改質ガスは、BFGに比べてはるかに水素含有率および発熱量が高い。したがって、改質ガス製造装置3の制御は、改質ガスの製造量および混合調整装置5への供給量、改質ガスの水素含有率、並びに、改質ガスの発熱量を、要求された仕様に合致するよう調整することを一つの目的にしている。そのために、改質ガス製造装置3へのNG、空気および水蒸気の供給量およびこれらの混合比が調節される。NGと空気の混合比は、使用されるガスタービンによって定まる燃料ガス中の要求水素濃度、事前に計測されたBFG中の水素濃度、改質ガス製造装置3の改質ガス製造能力、上記ガスタービンの全負荷運転時の燃料消費量などに基づいて予め決定される。予め定められたこの混合比(基準混合比)は必要に応じて変更される。
(Control of reformed gas production apparatus 3)
The reformed gas obtained by chemically reacting NG has a much higher hydrogen content and calorific value than BFG. Therefore, the control of the reformed
NGおよび空気の供給量およびこれらの混合比の調節は、各供給配管7、8の流調弁51、52a、52bの開度を調整することによりなされる。NGと空気との混合比は、前述した基準混合比となるように、各供給配管7、8の流量計71、72による計測情報に基づいてフィードバック制御される。改質ガスの製造量と混合調整装置5への供給量との調整は、第一混合器11の内圧、または、改質ガス供給配管4上のバッファタンク20の内圧、が所定範囲となるように流調弁51によってNG流量を制御することによりなされる。予め混合比が定まっているので、流調弁51によってNG流量(流量計71によって計測)が定まると、自動的に空気供給配管8の流調弁52aの開度が決定され、流調弁52bによって空気流量(流量計72によって計測)が調整される。一方の流調弁52aはNGと空気との混合比によって自動的に開度を定める固定開度弁である。他方の流調弁52bは混合比を正しく調整する自動制御弁として作動する。これら流調弁52a、52bの流量割合は任意に設定することができる。
The supply amount of NG and air and the mixing ratio thereof are adjusted by adjusting the opening degree of the
改質ガスの発熱量は、図5に示すように、NG(CH4が100であると想定して)に混合する空気の容積比率が0のときに最大で、この比率が大きくなるほど低下する。一方、改質ガス中の水素濃度は、図6に示すように、空気の容積比率が0のときに0であり、20〜35(%)あたりで大きくなり、それから空気比率が大きくなるほど低下していく。なお、図5は、成分がCH4のみであると仮定したNGに対する空気の混合比率に対する、当該混合ガスの発熱量を示すグラフである。また、図6は、成分がCH4のみであると仮定したNGに対する空気の混合比率に対する、製造後の改質ガスの主燃焼成分の容積割合を示すグラフである。 As shown in FIG. 5, the calorific value of the reformed gas is maximum when the volume ratio of air mixed with NG (assuming CH4 is 100) is 0, and decreases as the ratio increases. On the other hand, as shown in FIG. 6, the hydrogen concentration in the reformed gas is 0 when the volume ratio of air is 0, increases around 20 to 35 (%), and then decreases as the air ratio increases. To go. In addition, FIG. 5 is a graph which shows the emitted-heat amount of the said mixed gas with respect to the mixing ratio of the air with respect to NG assumed that the component is only CH4. FIG. 6 is a graph showing the volume ratio of the main combustion component of the reformed gas after production to the mixing ratio of air to NG assuming that the component is only CH4.
水蒸気は、NGと空気との混合比が同じ場合、改質ガス中の水素濃度を高くする効果があるため、同じNGと空気との混合比によるより高い水素濃度の改質ガスが必要な場合に供給される。この水素濃度の変化によって発熱量も変化するので、発熱量を調整することを目的として水蒸気濃度を調整してもよい。 Steam has the effect of increasing the hydrogen concentration in the reformed gas when the mixing ratio of NG and air is the same, and therefore a reformed gas with a higher hydrogen concentration due to the same mixing ratio of NG and air is required. To be supplied. Since the calorific value also changes due to the change in the hydrogen concentration, the water vapor concentration may be adjusted for the purpose of adjusting the calorific value.
また、改質ガスの製造において、安全上の理由から改質ガス中の酸素濃度を所定値(たとえば1容積%)以下にすべく制御される。このためには、O2濃度計22の検出結果に基づき、空気の混合比を減少させる方向で流調弁52bによってフィードバック制御を行う。また、燃料ガスの発熱量を調整することができるように、H2濃度計21、CO濃度計23、CH4濃度計24、圧力計64および温度計86による検出情報から制御装置10が改質ガスの発熱量を算出する。NGを用いた改質ガスの可燃成分は主にH2ガス、COガスおよびCH4ガスだからである。この算出発熱量に基づき、所定の発熱量となるように流調弁52bを用いて空気混合比を変更することによって調整する。なお、発熱量の算出に検出温度および検出圧力をも用いるのは水蒸気分圧補正を行うためである。
In the production of reformed gas, the oxygen concentration in the reformed gas is controlled to be a predetermined value (for example, 1% by volume) or less for safety reasons. For this purpose, based on the detection result of the
(混合調整装置5の制御)
混合調整装置5の制御は、ガスタービン36に供給すべきBFGに混合する改質ガスの量を調整することにより、また改質ガス製造装置3に対して水素濃度変更指令を発することにより、またBFGに希釈用ガスを混合することにより、混合ガス(燃料ガス)の水素濃度を要求値に適合させることを目的としている。また、改質ガス製造装置3に対して改質ガスの発熱量を変更する指令を発することにより、燃料ガスの発熱量を調整することも可能である。ガスタービン36が消費する燃料ガスの量はガスタービンの負荷に従って変動するので、ガスタービン36の運転制御と連動してBFG、改質ガスおよび希釈ガスの量と混合比とを調整する。
(Control of mixing adjusting device 5)
The control of the
まず、燃料ガス中の水素含有量制御を説明する。水素ガスは燃焼速度が速く着火保炎性がよいため、低カロリであるBFGの安定した燃焼の維持に貢献する。したがって、水素含有率の低い低カロリガスに対して、制御装置10は燃料ガス中の水素濃度が所定値(たとえば4容積%)に維持されるように制御する。ガスタービンの場合、BFGの水素含有率が2容積%以下であると失火しやすいからである。なお、水素濃度制御におけるBFGと改質ガスとの計画混合比および最大混合比は手動入力によって任意に設定することが可能である。計画混合比および最大混合比については後述する。
First, control of the hydrogen content in the fuel gas will be described. Since hydrogen gas has a high combustion rate and good ignition flame holding properties, it contributes to maintaining stable combustion of BFG, which is low in calories. Therefore, the
もし、改質ガスの供給量を調整(増大)することによっても水素濃度が所定値を下回る場合、制御装置10はアラーム(low-alarm )を発すると共に、改質ガス製造装置3に対して水素濃度増加指令を発する。この指令を受けた改質ガス製造装置3では、NGへの空気混合比率を変えて改質ガス中の水素濃度を上昇させる。改質ガス中の水素濃度はNGと空気との混合比が30容積%程度で最大となるため、この混合比においてもなお改質ガス中の水素濃度を高くする必要がある場合、NGと空気との混合比を固定しておいて水蒸気を混合する。水素濃度の上昇によって発熱量も上昇するので、水蒸気の混合率を変化させることによって発熱量制御も行うことができる。水蒸気の混合量の最大値は第三混合器94の濃度条件下で飽和圧力以下とする。
If the hydrogen concentration falls below a predetermined value also by adjusting (increasing) the supply amount of the reformed gas, the
改質ガスの水素濃度を最大に上昇させることによっても水素濃度が所定値を下回る場合、制御装置10はアラーム(low-low alarm )を発すると共に、水素濃度制御から発熱量制御に切り替える。すなわち、改質ガス製造装置3に対して改質ガスの発熱量を増大させる指令を発する。この指令を受けた改質ガス製造装置3では、NGへの空気混合比率を変えて改質ガスの発熱量を増大させる。具体的にはNGへの空気混合比率を低下させることによって改質ガスの発熱量を増大させる。
If the hydrogen concentration falls below a predetermined value even by increasing the hydrogen concentration of the reformed gas to the maximum, the
一方、もし改質ガスの供給量を調整(減少)することによっても水素濃度が所定値を超える場合、制御装置10はアラーム(high-alarm)を発すると共に、改質ガス製造装置3に対して水素濃度低下指令を発する。この指令を受けた改質ガス製造装置3では、NGへの空気混合比率を変えて改質ガス中の水素濃度を低下させる。
On the other hand, if the hydrogen concentration exceeds a predetermined value also by adjusting (decreasing) the supply amount of the reformed gas, the
また、改質ガスの水素濃度を最小まで低下させることによっても水素濃度が所定値を超える場合、制御装置10はアラーム(high-high-alarm )を発すると共に、水素濃度が所定値となるように、N2供給配管31の流調弁55を調整して希釈装置30に供給する希釈用ガスの必要流量(流量計74によって検出)を設定する。希釈用ガスとしては通常N2が使用されるが、これに限定されない。
Further, if the hydrogen concentration exceeds the predetermined value by reducing the hydrogen concentration of the reformed gas to the minimum, the
以上の制御は、燃料ガスたるBFG中の水素濃度を所定値に保つための制御であるが、もともと水素濃度が十分且つ安定した(5容積%以上)低カロリー副生ガスも存在する。かかる低カロリーな副生ガスであっても、主製品の操業プロセスの操業条件変更の影響を受けて発熱量(ガスカロリー)が変化することがある。このような低カロリガスのカロリー変動に対応して、燃料ガスの発熱量を安定させることにより運転を維持するための制御(発熱量制御)を行うことも可能である。 The above control is control for keeping the hydrogen concentration in the BFG as the fuel gas at a predetermined value, but there is also a low-calorie by-product gas that is originally sufficiently and stable (5% by volume or more). Even with such a low-calorie by-product gas, the calorific value (gas calorie) may change under the influence of changes in the operating conditions of the operation process of the main product. Corresponding to such caloric fluctuation of low calorie gas, it is also possible to perform control (heating value control) for maintaining the operation by stabilizing the heating value of the fuel gas.
すなわち、改質ガス供給配管4および燃料ガス供給配管2に設置された流量計73、74、75と、燃料ガス供給配管2に設置されたH2濃度計29、CO濃度計28、CH4濃度計111、圧力計65および温度計87とによる検出結果に基づいてBFGの発熱量を計算し、さらに、改質ガス供給配管4に設置された流量計73、H2濃度計21、CO濃度計23、CH4濃度計24、圧力計64および温度計86による検出結果に基づいて改質ガスの発熱量を計算する。これらのトータルの発熱量がガスタービン36の運転に必要な発熱量を下回った場合に、改質ガス供給配管4からより高位の中〜低カロリを有する高カロリ改質ガスを供給して燃料ガスの必要発熱量まで上昇させる制御である。改質ガスの供給量は流調弁54によって制御する。なお、発熱量の算出に検出温度および検出圧力をも用いるのは水蒸気分圧補正を行うためである。
That is, the
発熱量計算のための濃度検出に各成分ガスの濃度計21、23、24、28、29、111を用いたのは、検出速度が速いため、プロセス制御に適しているからである。一方、検出速度は遅いがガス成分を正確に計測することができる前述のカロリメータ34は燃料ガスの性状変化を監視するために用いられる。したがって、BFGと改質ガスとを混合したあとの燃料ガスの可燃性成分はこのカロリメータ34によって計測し、調整のために制御装置10へフィードバックすることができる。
The reason why the
また、この燃料ガスのカロリー値(可燃成分の濃度)の検出速度を速くして即応性を持たせるには、燃料ガス供給配管2に設置されたCO濃度計112とH2濃度計33とCH4濃度計113とを用いて可燃成分の濃度を検出し、圧力計66および温度計88による計測圧力および計測温度から水分補正をして計算すればよい。混合後の燃料ガスの発熱量がガスタービンの許容カロリー変動幅の上限値を超す場合には、N2供給配管31によってN2ガスを供給することにより発熱量を低減する。
Further, in order to increase the detection speed of the calorie value (combustible component concentration) of the fuel gas and to provide quick response, the
この発熱量制御におけるBFGと改質ガスとの計画混合比、最小混合比および最大混合比は手動入力によって任意に設定することができる。これは、各高炉ごとに発生するBFGの組成は異なり、必然的にこれに連係すべき改質ガスの組成も異ならざるを得ないので、これに対応すべく適宜変更設定するためである。また、低カロリー副生ガスには前述のとおり水素ガスを5容積%以上含むようなものも存在するが、BFGのように水素濃度の低いものもある。このようなガスでは、発熱量制御時においても前述した所定の水素濃度を維持するのが望ましい。なぜなら、水素ガスは着火保炎性がよく、安定燃焼を確保するために必要なガス成分だからである。 The planned mixture ratio, minimum mixture ratio, and maximum mixture ratio of BFG and reformed gas in this calorific value control can be arbitrarily set by manual input. This is because the composition of the BFG generated for each blast furnace is different, and the composition of the reformed gas to be linked to the inevitably has to be different. Further, as described above, low calorie by-product gas includes hydrogen gas containing 5% by volume or more, but there is also a low hydrogen concentration such as BFG. In such a gas, it is desirable to maintain the above-described predetermined hydrogen concentration even during the calorific value control. This is because hydrogen gas has a good ignition flame holding property and is a gas component necessary for ensuring stable combustion.
前述した計画混合比とは、ある水素濃度のBFGに対する、予め計画された水素濃度を有する改質ガスの混合比であり、予め設計段階で計算によって得られる比である。この計画混合比が予め得られておれば、BFGの水素濃度変化に対して制御応答性が良くなる。そして、燃料ガス供給配管2のH2濃度計33の検出結果に基づくフィードバック制御によって微調整がなされる。最大混合比とは、計器の誤信号による改質ガスの過剰混合を防止するために設定する混合比の上限値である。同様に、最小混合比とは、計器の誤信号による改質ガスの混合不足(発熱量不足)を防止するために設定する混合比の下限値である。
The planned mixture ratio described above is a mixture ratio of reformed gas having a predetermined hydrogen concentration with respect to BFG having a certain hydrogen concentration, and is a ratio obtained in advance by calculation at the design stage. If this planned mixture ratio is obtained in advance, the control responsiveness is improved with respect to the change in the hydrogen concentration of BFG. And fine adjustment is made by feedback control based on the detection result of the
以下、具体的な発熱量制御を説明する。通常運転中に燃料ガスの発熱量が予め定められた範囲を下回った場合、制御装置10は燃料ガスの発熱量が所定値となるように、改質ガス供給配管4の流調弁54の開度を増大して第二混合器18へ供給する改質ガスの流量(流量計73によって検出)を増大する。
Hereinafter, specific heat generation amount control will be described. When the calorific value of the fuel gas falls below a predetermined range during normal operation, the
改質ガスの流量を増大してもなお燃料ガスの発熱量が設定値を下回る場合、制御装置10はアラーム(low-alarm )を発すると共に、改質ガス製造装置3に対して発熱量増加指令を発する。この指令を受けた改質ガス製造装置3では、NGへの空気混合比率を変えて改質ガスの発熱量を上昇させる。NGへの空気混合比率の調節量は図5のグラフの傾向に合わせて決定される。必要に応じて水蒸気の混合率も変化させることにより改質ガスの発熱量を上昇させる。
If the calorific value of the fuel gas still falls below the set value even when the flow rate of the reformed gas is increased, the
改質ガスの発熱量を最大に上昇させることによってもなお燃料ガスの発熱量が所定値を下回る場合、制御装置10はアラーム(low-low alarm )を発する。これに応じて操作員が適切な処置を行う。
If the calorific value of the fuel gas still falls below a predetermined value even by increasing the calorific value of the reformed gas to the maximum, the
一方、もし改質ガスの供給量を調整(減少)することによっても発熱量が所定の上限値を超える場合、制御装置10はアラーム(high-alarm)を発すると共に、改質ガス製造装置3に対して発熱量低下指令を発する。この指令を受けた改質ガス製造装置3では、NGへの空気混合比率を変えて改質ガスの発熱量を低下させる。
On the other hand, if the calorific value exceeds a predetermined upper limit value by adjusting (decreasing) the supply amount of the reformed gas, the
また、改質ガスの発熱量を最小まで低下させることによってもなお燃料ガスの発熱量が所定の高上限値を超える場合、制御装置10はアラーム(high-high-alarm )を発すると共に、発熱量が所定の低上限値となるように、N2供給配管31の流調弁55を調整して希釈装置30に供給する希釈用ガスの必要流量(流量計74によって検出)を設定する。
Further, if the calorific value of the fuel gas still exceeds the predetermined high upper limit value by reducing the calorific value of the reformed gas to the minimum, the
なお、水素濃度制御時および発熱量制御時に、NGと空気との混合比を変更する際には混合に必要な時間遅れを考慮して行うのが望ましい。 Note that it is desirable to consider the time delay required for mixing when changing the mixing ratio of NG and air during hydrogen concentration control and calorific value control.
以上述べた燃料ガスの発熱量制御は、燃料ガスの発熱量を検出しつつ改質ガスやN2ガスの供給により直接的に発熱量を増減する制御である。 The fuel gas calorific value control described above is control for directly increasing or decreasing the calorific value by supplying reformed gas or N2 gas while detecting the calorific value of the fuel gas.
つぎに、図7〜図9を併せて参照しつつ、前述の低圧NGではなく、高圧NGを用いる場合の設備上の差違点を中心に説明する。 Next, with reference to FIGS. 7 to 9 as well, differences in facilities when using high pressure NG instead of the low pressure NG described above will be mainly described.
高圧NGを用いる場合は、合わせて供給する空気も高圧にする必要があるが、図7および図8を参照しつつ以下に二種類の高圧仕様の空気供給配管8について説明する。図7において二点鎖線で示す範囲の配管は高圧用として、図2中の低圧空気供給配管8における二点鎖線で囲むA部に代えて採用するものである。
When high pressure NG is used, the air supplied together needs to be at a high pressure, but two types of high pressure
図7に示す空気供給配管8には、後述するガスタービンにおける空気圧縮機38aに接続された抽気配管92を通して抽気される高温高圧空気が、流調弁103によって流量調整されつつ導かれる。そして、この空気供給配管8における前述の流調弁52a、52bの下流に昇圧用の圧縮機95が配設されている。空気供給配管8にはこの昇圧用圧縮機95をバイパスするバイパス配管96が接続され、このバイパス配管96には、空気冷却器97と昇圧用圧縮機95のサージングを防止するための流調弁98とが配設されている。このようにしてガスタービンにおける空気圧縮機38aからの高温高圧空気を利用することができる。
High-temperature high-pressure air extracted through an
図8に示す空気供給配管8には、図2中の低圧空気供給配管8と同様に低圧の空気が供給されてくる。しかし、この高圧空気供給配管8には、図2中の低圧空気供給配管8における昇圧ファン16に代えて、高圧の空気圧縮機99が配設されている。また、空気供給配管8にはこの空気圧縮機99をバイパスするバイパス配管100が接続され、このバイパス配管100には、空気冷却器101と空気圧縮機99のサージングを防止するための流調弁103とが配設されている。
Low-pressure air is supplied to the
図9には高圧のNGから製造した高圧の改質ガスを利用するガスタービン発電設備1の配管設備が示されており、これは図3および図4に示す低圧の改質ガスを使用する配管に相当する。ここには、図3に示すようなBFGと改質ガスとの混合調整を行う混合調整装置5が纏まった形では配設されていない。具体的には、図示のごとく、前述した混合調整装置5のうちの、圧力計65、CO濃度計28およびH2濃度計29が燃料圧縮機35の上流側に設置されており、改質ガスとBFGとを混合する第四混合器104と、流調弁55、流量計74およびH2希釈装置30が設置されたN2供給配管31とが燃料圧縮機35の下流側に設置されている。このように、混合調整装置5の構成要素が燃料圧縮機35の上流と下流とに分かれて設置されている。これは、BFGに混合する改質ガスは高圧であって上記燃料圧縮機35による昇圧を必要としないため、改質ガス供給配管4を燃料圧縮機35の下流側に接続したことによる。また、ガスタービン36中の空気圧縮機38aに抽気配管92が接続されている。空気圧縮機38aからこの抽気配管92を通して高温高圧空気が前述した改質ガス製造装置3への空気供給配管8に送られる。以上の点が図3および図4に示す低圧の改質ガスを使用する配管と相違する。
FIG. 9 shows a piping facility of the gas turbine power generation facility 1 using a high pressure reformed gas produced from high pressure NG, which is a piping using the low pressure reformed gas shown in FIGS. 3 and 4. It corresponds to. Here, the
本発明によれば、不純物のほとんど無いNGを分解することによって水素ガスを含有するクリーンな改質ガスを用いることができるので、改質ガスの前処理設備などを要することなくガスタービンの継続的安定燃焼を実現することが可能となる。 According to the present invention, a clean reformed gas containing hydrogen gas can be used by decomposing NG containing almost no impurities, so that the gas turbine can be continuously operated without requiring a reformed gas pretreatment facility. Stable combustion can be realized.
1・・・・ガスタービン発電設備
2・・・・燃料ガス供給配管
3・・・・改質ガス製造装置
4・・・・改質ガス供給配管
5・・・・混合調整装置
6・・・・付帯設備
7・・・・NG供給配管
8・・・・空気供給配管
9・・・・加熱用蒸気供給配管
10・・・・制御装置
11・・・・第一混合器
12・・・・触媒反応筒
13・・・・熱交換器
14・・・・ミストセパレータ
15・・・・フィルタ
16・・・・昇圧ファン
16a・・・バイパス配管
17・・・・混合気体供給配管
18・・・・第二混合器
19・・・・冷却器
20・・・・バッファタンク
21・・・・H2濃度計
22・・・・O2濃度計
23・・・・CO濃度計
24・・・・CH4濃度計
25・・・・バイパス配管
26・・・・BFG供給配管
27・・・・バッファタンク
28・・・・CO濃度計
29・・・・H2濃度計
30・・・・希釈装置
31・・・・N2供給配管
32・・・・除塵器
33・・・・H2濃度計
34・・・・カロリメータ(ガス分析器)
35・・・・燃料圧縮機
36・・・・ガスタービン
37・・・・燃焼器
38・・・・発電機
39・・・・バイパス配管
40・・・・冷却器
41・・・・排熱回収ボイラー
42・・・・蒸気タービン
43・・・・煙突
44・・・・発電機
45・・・・蒸気供給管
51〜58・・・・流調弁
61〜66・・・・圧力計
71〜76・・・・流量計
81〜89・・・・温度計
91・・・・プロセス蒸気配管
92・・・・抽気配管
93・・・・流調弁
94・・・・第三混合器
95・・・・昇圧圧縮機
96・・・・バイパス配管
97・・・・空気冷却器
98・・・・流調弁
99・・・・空気圧縮機
100・・・・バイパス配管
101・・・・空気冷却器
102、103・・・・流調弁
104・・・・第四混合器
111・・・・CH4濃度計
112・・・・CO濃度計
113・・・・CH4濃度計
AIR・・・・空気
BFG・・・・高炉ガス
NG・・・・天然ガス
U・・・・ユースポイント
1. Gas turbine power generation equipment
2 ... Fuel gas supply piping
3. Reformed gas production equipment
4 ... Reformed gas supply piping
5 .... Mixing adjustment device
6 .. Attached facilities
7. NG supply piping
8. Air supply piping
9 ... Steam supply piping for heating
10 .... Control device
11 .... First mixer
12 .... Catalyst reaction tube
13. Heat exchanger
14 ... Mist separator
15 ... Filter
16 .... Pressure booster
16a ... Bypass piping
17 .... Mixed gas supply piping
18 ... Second mixer
19 .... Cooler
20 ... Buffer tank
21 ... H2 densitometer
22 ... O2 concentration meter
23 ... CO concentration meter
24 ... CH4 densitometer
25 .... Bypass piping
26 ... BFG supply piping
27 ... Buffer tank
28 ... CO concentration meter
29 ... H2 densitometer
30 ... Dilution device
31 ... N2 supply piping
32 ... Dust remover
33 ... H2 densitometer
34 ··· Calorimeter (gas analyzer)
35 ... Fuel compressor
36 ... Gas turbine
37... Combustor
38 .... Generator
39 ... Bypass piping
40 .... Cooler
41 .... Waste heat recovery boiler
42 ... Steam turbine
43 ... Chimney
44 .... Generator
45 ... Steam supply pipe
51-58 ... Flow control valve
61-66 ... Pressure gauge
71-76 ... Flow meter
81-89 ... Thermometer
91 ... Process steam piping
92 ... Extraction piping
93 ... Flow control valve
94 ··· Third mixer
95... Boost compressor
96 .... Bypass piping
97 ··· Air cooler
98 ... Flow control valve
99 ・ ・ ・ ・ Air compressor
100 ... Bypass piping
101 ...
104 ··· Fourth mixer
111 ・ ・ ・ ・ CH4 densitometer
112 ... CO concentration meter
113 ... CH4 densitometer
AIR ... Air
BFG ... Blast furnace gas
NG ... Natural gas
U ... Use point
Claims (19)
低カロリガスと該改質ガス製造装置から供給される改質ガスとを混合してガスタービン設備に燃料ガスとして供給するための混合調整装置と、
上記改質ガス製造装置から上記混合調整装置へ改質ガスを供給するための改質ガス供給通路と、
上記混合調整装置からガスタービン設備に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、
上記改質ガス製造装置および混合調整装置の動作を制御するための制御装置とを備えてなるガス改質設備。 A reaction cylinder having a natural gas supply line and an air supply line, for mixing a natural gas and air, and chemically reforming the mixed gas to reform to produce a reformed gas containing hydrogen gas. Having a reformed gas production apparatus;
A mixing adjustment device for mixing low-calorie gas and the reformed gas supplied from the reformed gas production device and supplying the mixture to the gas turbine equipment as a fuel gas;
A reformed gas supply passage for supplying the reformed gas from the reformed gas manufacturing apparatus to the mixing and adjusting apparatus;
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the mixing adjusting device to the gas turbine equipment;
A gas reforming facility comprising a control device for controlling the operation of the reformed gas production device and the mixing adjusting device.
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A fuel gas hydrogen concentration detector disposed at least in the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The gas according to claim 1, wherein the control device is configured to adjust the amount of reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on detection information of the hydrogen concentration detector. Reforming equipment.
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより、改質ガスの水素濃度を変更するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A fuel gas hydrogen concentration detector disposed at least in the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device is configured to change the hydrogen concentration of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. The gas reforming facility according to claim 1.
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの水素濃度を変更するように構成されてなる請求項2記載のガス改質設備。 A fuel gas hydrogen concentration detector disposed at least in the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device changes the hydrogen concentration of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. The gas reforming facility according to claim 2, which is configured as follows.
上記混合調整装置内に配設された、燃料ガスを希釈用ガスによって希釈するための希釈ガス供給装置とをさらに備えており、
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、燃料ガスに対して希釈ガス供給装置から希釈ガスを混合するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A hydrogen concentration detector for a fuel gas disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
A dilution gas supply device for diluting the fuel gas with the dilution gas, disposed in the mixing adjustment device;
The gas reforming equipment according to claim 1, wherein the control device is configured to mix the diluent gas from the diluent gas supply device to the fuel gas based on the detection information of the hydrogen concentration detector.
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A fuel gas hydrogen concentration detector disposed at least in the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device is configured to change the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. The gas reforming facility according to claim 1.
上記制御装置が、上記水素濃度検出器の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成されてなる請求項2記載のガス改質設備。 A fuel gas hydrogen concentration detector disposed at least in the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device changes the heat generation amount of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the hydrogen concentration detector. The gas reforming facility according to claim 2, which is configured as follows.
上記制御装置が、上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The gas according to claim 1, wherein the control device is configured to adjust the amount of reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on detection information of the calorific value measuring means. Reforming equipment.
上記制御装置が、上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 A fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device is configured to change the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas and air in the reformed gas production device based on the detection information of the calorific value measuring means. The gas reforming facility according to claim 1.
上記制御装置が、上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて、改質ガス製造装置における天然ガスと空気とプロセス蒸気との混合比を変更することにより、改質ガスの発熱量を変更するように構成されてなる請求項2記載のガス改質設備。 A fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
The control device changes the calorific value of the reformed gas by changing the mixing ratio of natural gas, air, and process steam in the reformed gas production device based on the detection information of the calorific value measuring means. The gas reforming facility according to claim 2, which is configured as follows.
上記制御装置が、上記圧力計測手段の計測情報に基づいて、改質ガス製造装置から混合調整装置へ供給される改質ガスの量を調整するように構成されてなる請求項1記載のガス改質設備。 Pressure measuring means for measuring the internal pressure of the passage disposed in the fuel gas supply passage,
The gas reformer according to claim 1, wherein the control device is configured to adjust the amount of reformed gas supplied from the reformed gas production device to the mixing adjusting device based on measurement information of the pressure measuring means. Quality equipment.
上記混合調整装置内に配設された、燃料ガスを希釈用ガスによって希釈するための希釈ガス供給装置とをさらに備えており、
上記制御装置が、上記発熱量計測手段の検出情報に基づいて、燃料ガスに対して希釈ガス供給装置から希釈ガスを混合するように構成されてなる請求項1または12記載のガス改質設備。 A fuel gas calorific value measuring means disposed in at least the fuel gas supply passage of the reformed gas supply passage and the fuel gas supply passage;
A dilution gas supply device for diluting the fuel gas with the dilution gas, disposed in the mixing adjustment device;
The gas reforming equipment according to claim 1 or 12, wherein the control device is configured to mix the diluent gas from the diluent gas supply device to the fuel gas based on the detection information of the calorific value measuring means.
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