JP2007232262A - コージェネレーションプラント及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単独運転への切り替え時に助燃バーナを安定燃焼させ、プロセス蒸気を安定して供給することができるコージェネレーションプラントを供給する。
【解決手段】ガスタービン緊急停止時に、ガスタービン、排熱回収ボイラ煙風道の流路を切り替え、排熱回収ボイラに付属する主助燃バーナ及び助燃パイロットバーナ、押込通風機にて排熱回収ボイラを単独で運転継続し、プロセス蒸気需要に見合ったプロセス蒸気の供給を継続する。排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転復帰時にも、ガスタービン追加起動後、バイパススタックダンパ及び排熱回収ボイラ入口ダンパを徐々に動作させ煙風道の流路を切り替えることで、排熱回収ボイラを運転継続しプロセス蒸気需要に見合ったプロセス蒸気の供給を継続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンと排熱回収ボイラを備えたコージェネレーションプラント及びその運転方法に関する。

コンバインド発電プラントにおけるガスタービン緊急停止時の運転方法としては、例えば非特許文献１に記載されているように、ガスタービン緊急停止時にガスタービン排気煙風道系のダンパを切り替え、押込通風機および助燃バーナにより排熱回収ボイラの単独運転を行う技術がある。

「出光石化ＧＴコンバインド発電所の運転実績」 火力原子力発電技術協会講演会公開資料

上述した従来技術では、単独運転への切り替え時に、排熱回収ボイラに進入するガスタービン排気ガス流量や圧力の急変動により助燃バーナが燃焼不安定となる可能性があり、プロセス蒸気を安定供給することができないという課題があった。

本発明の目的は、単独運転への切り替え時に助燃バーナを安定燃焼させ、プロセス蒸気を安定して供給することができるコージェネレーションプラントを供給することにある。

本発明のコージェネレーションプラントは、ガスタービンと、助燃バーナを有する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラに前記助燃バーナの燃焼用空気を供給する押込通風機と、ガスタービン排ガス経路の排熱回収ボイラ入口に設けられた排熱回収ボイラ入口ダンパと、前記ガスタービンから排熱回収ボイラに導かれるガスタービン排ガスをバイパスするバイパスダンパと、前記押込通風機の出口に設けられた押込通風機出口ダンパとを備え、前記ガスタービンが緊急停止した場合、前記助燃バーナの出力を低下させ、前記バイパスダンパを開操作、前記排熱回収ボイラ入口ダンパを閉操作してガスタービン排ガスの流路を切り替え、前記押込通風機の出力を上昇させると共に前記押込通風機出口ダンパを開操作して、該押込通風機出口ダンパが所定開度となった後に、前記助燃バーナの出力を上昇させる制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン緊急停止時にも単独運転への切り替え時に助燃バーナを安定燃焼させて、排熱回収ボイラ単独運転を実施することでプロセス蒸気を安定して供給することができる。

以下、本発明の一実施例について図１，図２，図３を用いて説明する。図１は、ガスタービンコージェネレーション設備の構成概略図、図２はガスタービン緊急停止時における各ダンパの切替状態を示す図、ガスタービン緊急停止時における各装置の動作タイムチャート図である。

図１に示す本実施の形態におけるコージェネレーション設備は、大きく分けてガスタービン１、ガスタービン発電機２、ガスタービン１からの排気ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラ３、発生した蒸気をプロセスへ送気するプロセス送気系統４により構成される。

ガスタービン１は、吸込空気系統９からの空気を圧縮する空気圧縮機８、燃料供給系統１１から供給される燃料と空気圧縮機８から導入される圧縮空気とを燃焼させる燃焼器１０、燃焼器１０で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン２２によって構成される。ガスタービン１には回転軸を介してガスタービン発電機２が接続されており、ガスタービン１に駆動されることにより発電が行われる。また、本実施例のコージェネレーション設備は、ガスタービン排ガスを排熱回収ボイラ３へ導くガスタービン排気ダクト５、ガスタービン緊急停止時等にバイパススタックダンパ７の切り替えによりガスタービン排気ガスを大気放出するバイパススタック６を備えている。

排熱回収ボイラ３は、排熱回収ボイラの入口に設置される排熱回収ボイラ入口ダンパ１２、排熱回収ボイラ単独運転時に後述する助燃バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給ダクト２３、排熱回収ボイラ３の発生蒸気量を制御する助燃バーナ１６及び助燃パイロットバーナ１７、この助燃バーナ群へ燃料を供給する助燃バーナ燃料供給系統１８、排熱回収ボイラ３に給水を供給する排熱回収ボイラ給水系統１９を備えている。また、燃焼用空気供給ダクト２３の上流側には助燃バーナに燃焼用空気を供給する押込通風機１３と、この押込通風機１３に空気を送る燃焼用空気吸込系統１５を設けており、燃焼用空気供給ダクト２３の下流側に設けた押込通風機出口ダンパ１４の切り替えにより燃焼用空気を供給する。また、燃焼用空気供給ダクト２３の押込通風機出口ダンパ１４上流側には、押込通風機１３から供給される空気を大気に放出する押込通風機出口大気放出ダンパ２１を備えている。

また、先述した各ダンパ（バイパススタックダンパ７，排熱回収ボイラ排気ガス入口ダンパ１２，押込通風機出口ダンパ１４，押込通風機出口大気放出ダンパ２１）、助燃バーナ群（助燃バーナ１６，助燃パイロットバーナ１７）、押込送風機１３の制御装置２０を備える。

上述した構成のコージェネレーションプラント設備では、空気圧縮機８にて圧縮した空気を燃焼機１０へ導入し、ガスタービン燃料供給系統１１から供給される燃料とともに燃焼し、ガスタービン１を回転させ、ガスタービン発電機２にて発電を行う。さらに、ガスタービン１からの排ガスを利用し、排熱回収ボイラ３にて蒸気を発生させてプロセス送気系統４へ供給する。工場プロセス等で仕事を終え凝縮した蒸気は凝縮水となり、排熱回収ボイラ給水系統１９を通って排熱回収ボイラ３へ戻される。

上記一連の動作の繰り返しにより、ガスタービン１で仕事を行い、ガスタービン発電機２で電力を供給する一方、ガスタービン排気ガスを利用した排熱回収ボイラ３では付属する助燃バーナ１６で蒸気条件を制御し工場蒸気需要を満たすのに十分な蒸気を供給する。

以上のように構成されたコージェネレーションプラントにおいて、ガスタービン１が緊急停止し運転継続不可能となった場合には、工場の蒸気需要を満たすために排熱回収ボイラ３を単独運転し、蒸気供給を継続する必要がある。

そこで、本実施例においては、ガスタービン１が緊急停止した場合には、瞬時に制御装置２０の指令により主助燃バーナ１６を消火すると共に、助燃パイロットバーナ１７の継続運用によりガスタービン１および排熱回収ボイラ３の煙風道における燃焼不良を防止した上で、通常運転状態において常時アイドリング状態の押込通風機１３を急速に回転数上昇させ、主助燃バーナ１６の燃焼用空気を確保する。

一方、バイパススタックダンパ７を開動作することで、ガスタービン１の排気流路を確保してガスタービン１の排気系統閉塞によるガスタービンの機器損傷を防止する。そして、バイパススタックダンパ７が一定開度以上となり、ガスタービン１の排気ガスが全量大気放出可能となった後に、排熱回収ボイラ排気ガス入口ダンパ１２を閉動作することで、押込通風機１３からの主助燃バーナ１６の燃焼用空気がバイパススタック６及びガスタービン１へ逆流することを防止し、排熱回収ボイラ単独運転に移行可能な排熱回収ボイラ３の煙風道状態を確立する。

ガスタービン１および排熱回収ボイラ３の煙風道状態が確立された後に、主助燃バーナ１６への燃料投入量を増加または再開させ、工場蒸気需要を満足するプロセス蒸気を送気することが可能となる。なお、図２は以上説明したガスタービン緊急停止時における各ダンパの切替操作後の状態を示す図である。

図３にガスタービン停止時の各装置の動作タイムチャートの一例を示す。図示するものは、ガスタービントリップから約５０秒で切替えが完了した状態を示している。

バイパススタックダンパ７は、ガスタービン１の緊急停止と共に開動作を開始し、ガスタービン１の排気ガスの大気放出を開始する。排熱回収ボイラ入口ダンパ１２は、バイパススタックダンパ７がガスタービン１の排気ガス量を全量排気可能な開度まで開いた後に閉動作を開始する。バイパススタックダンパ７および排熱回収ボイラ入口ダンパ１２は動作開始からそれぞれ１５秒程度での全開及び全閉動作が可能であるものを採用し、ダンパ切替時間を短縮する。

押込通風機１３はガスタービン１の緊急停止と共に回転数を上昇させ、押込風量を増加させて行く。尚、押込通風機１３は通常運転中常時アイドリング運転として、回転数上昇に掛かる時間を短縮することで排熱回収ボイラ単独運転までの移行時間を短縮する。

押込通風機１３が１００％回転数となり、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２全閉の確認をもって、ガスタービン排気系の流路切替えが完了したとみなし、押込通風機出口ダンパ１４を開動作させ、燃焼用空気供給ダクト２３から燃焼用空気を排熱回収ボイラ煙風道内へ導入する。

また、主助燃バーナ１６はガスタービン１の緊急停止と共に消火し、燃焼用ガスの急変動による火炎喪失等の燃焼不良を回避する。主助燃バーナ１６の再着火及び燃料投入量の増加は、押込通風機出口ダンパ１４の全開後に排熱回収ボイラ通風量が安定し、安定燃焼が可能となった後とする。

助燃パイロットバーナ１７は常時継続運用とし、主助燃バーナ１６が火炎喪失した場合でも主助燃バーナ１６を即時再着火できるものとする。このように、助燃パイロットバーナ１７を常時運用とすることにより、主助燃バーナ火炎喪失時の排熱回収ボイラ煙風道系のパージを不要とし、排熱回収ボイラ単独運転までの移行時間を短縮する。

ここで、一般的なガスタービンコージェネレーションプラント設備では、蒸気発生源となる排熱回収ボイラ単独での運転は考慮されていないため、ガスタービンが緊急停止した場合には排熱回収ボイラの蒸気発生が不可能となる。排熱回収ボイラに燃焼用バーナを備えた単独運転が可能な設備であっても、ガスタービン緊急停止時にガスタービン排気流路の切り替え時間が長くなると、発生蒸気温度・圧力の低下により、プロセス蒸気および主機器である抽気背圧蒸気タービンへの発生蒸気供給が不可能となる場合がある。また、燃焼用バーナを備えたプラントであっても、単独運転への切り替え時に排熱回収ボイラに進入するガスタービン排気ガス流量や圧力の急変動により、場合により失火することがあり助燃バーナが燃焼不安定となる可能性があった。

このため、ガスタービン緊急停止時には、コージェネレーション設備の製品蒸気の品質が著しく低下し、製品の加工に蒸気需要が重要な産業用プラントなどにおいては、製品の生産に影響を与える恐れがあった。

これに対して、上述の本実施例はガスタービン緊急停止時に排熱回収ボイラの著しい発生蒸気条件の劣化を防ぎ、プロセス蒸気を安定供給することを可能としたものである。具体的には、以下の運用方法により実現する。

１）ガスタービン緊急停止と同時にガスタービン排気ガス大気放出ダンパを開動作し、排熱回収ボイラ排気ガス入口ダンパを閉動作することで、ガスタービン排気流路を変更する運転方法。

２）ガスタービン緊急停止と同時に主助燃バーナの燃料投入量を減少または停止させ助燃バーナの燃焼不良による火炎喪失を回避し、押込通風機からの燃焼用空気の流量安定後、再び主助燃バーナ出力を増加する運転方法。この間、パイロットバーナは運転を継続させ、主助燃バーナの再燃料投入量の増加による燃料を助ける。

３）ガスタービン緊急停止と同時にアイドリング待機状態であった押込通風機を急速に回転数上昇させ、押込通風機出口ダンパを開することで排熱回収ボイラへ燃焼用空気を速やかに供給することで排熱回収ボイラ単独運転への移行時間を短縮する運転方法。

以上説明した本実施例によれば、単独運転への切り替え時でも助燃バーナを安定燃焼させることができる。これにより、ガスタービン緊急停止時にも排熱回収ボイラ単独運転を実施することができ、発生蒸気の安定供給が可能となる。

次に、排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転復帰時について説明する。図３は、運転復帰時の動作タイムチャートの一例を示した図である。

排熱回収ボイラ単独運転時に、バイパススタックダンパ７全開、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２全閉を確認しガスタービン排気系の閉塞がないことを確認した後に、ガスタービン１を追加起動する。主助燃バーナ１６の火炎喪失を防止するため、ガスタービン１及び排熱回収ボイラ３をそれぞれ安定した状態下で運転切り替えを実施するため、ガスタービン１はバイパススタック６を排気系として利用し１００％負荷まで上昇させる。ガスタービン１が１００％負荷に到達し、ガスタービン排気ガス条件が安定したら、制御装置２０の排気ダンパ切替ボタン（ＰＢ）を操作することで、全自動で排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転に復帰する。

具体的には、制御装置２０の排気ダンパ切り替えボタン操作により、バイパススタックダンパ７が徐閉動作を開始し、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２の入口圧力（ガスタービン側）を上昇させる。これにより、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２が開動作した際に押込通風機１３から排熱回収ボイラ３へ送られる燃焼用空気がガスタービン側へ逆流し、燃焼用空気不足で主助燃バーナ１６が燃焼継続不能とならないようにする。

さらに、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２の入口圧力（ガスタービン側）が出口圧力（排熱回収ボイラ側）以上となったら排熱回収ボイラ入口ダンパ１２を徐開動作させ、排熱回収ボイラ３へ高温のガスタービン排気ガスを導入していく。このとき、排熱回収ボイラ３への入熱量の増加に伴い、主助燃バーナ１６の燃料投入量はプロセス蒸気需要を満足するように制御装置２０にて制御し、徐々に燃料投入量は減少していく。また、排熱回収ボイラ３の通風量増加により主助燃バーナ１６が吹き消えないよう、通風量を一定にするため制御装置２０で押込通風機出口ダンパ１４の開度を調整し、ガスタービン側からのガスタービン排ガス流入量増加に対応して、押込通風機１３からの燃焼用空気供給量は減少させる。

バイパススタックダンパ７の全閉、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２の全開、押込通風機出口ダンパ１４の全閉をもって排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転に復帰完了したものとみなし、排熱回収ボイラ３への燃焼用空気供給用の押込通風機１３はアイドリング待機運転に移行するため回転数を低下する。

以上の動作は全て制御装置２０による自動制御で行う。この制御は、例えばガスタービン排気ダクト５部の圧力及び排熱回収ボイラ３の入口部の圧力を検出器でそれぞれ検知し、ガスタービン１及び排熱回収ボイラ３の煙風道系のガス圧力が急変動しないように、バイパススタックダンパ７、排熱回収ボイラ入口ダンパ１２及び押込通風機出口ダンパ１４を制御することにより可能となる。また、プロセス蒸気供給量はプロセス需要に見合うものとして、主助燃バーナ１６の出力を制御装置２０により制御する。

ここで、一般的なガスタービンコージェネレーションプラント設備では、排熱回収ボイラ単独運転モードから、ガスタービンを追加起動しガスタービンコージェネレーション運転モードに復帰する場合には、排熱回収ボイラおよびガスタービンそれぞれが運転状態であり、バイパススタックダンパ及び排熱回収ボイラ入口ダンパの切り替え操作時に煙風道系の風量及び圧力が急激に変動し、ガスタービン緊急停止や排熱回収ボイラ助燃バーナの火炎喪失等により、コージェネレーション設備の運転継続が不能になる場合があった。

このため、排熱回収ボイラ単独運転モードからガスタービンコージェネレーション運転モードに復帰する場合には、煙風道系の挙動が不安定となるため、コージェネレーション設備の製品蒸気の品質が著しく低下し、製品の加工に蒸気需要が重要な産業用プラントなどにおいては、製品の生産に影響を与える恐れがあった。

これに対して、上述した本実施例は、排熱回収ボイラ単独運転モードからガスタービンコージェネレーション運転復帰時に、排熱回収ボイラの著しい発生蒸気条件の劣化を防ぎ、プロセス蒸気を安定供給することを可能としたものである。具体的な運用方法は以下のようになる。

１）排熱回収ボイラ単独運転時に、排熱回収ボイラ入口ダンパ全閉、バイパススタックダンパ全開でありガスタービン排気ガス流路がバイパススタックに確保されていることを確認してガスタービンを起動する。

２）ガスタービン１００％負荷到達後、バイパススタックダンパを排熱回収ボイラ入口ダンパのガスタービン側圧力が排熱回収ボイラ側圧力より高くなるまで徐閉動作させ、排熱回収ボイラ入口ダンパが開動作した時に押込通風機押込み空気がガスタービン側へ逆流し、排熱回収ボイラ通風量が減少し助燃バーナが燃焼不安定とならないようにする。

３）手順２）が完了したら、バイパススタックダンパは徐閉動作を継続し、排熱回収ボイラ入口ダンパはバイパススタックダンパの開度に連動して徐開動作を開始し、ガスタービン排気ガスを排熱回収ボイラ煙風道内へ導入する。このとき、煙風道系の風量及び圧力の急変動を避けるため、排熱回収ボイラ入口ダンパの前後圧力を監視する。

４）ガスタービン排気ガスが排熱回収ボイラに流入することで排熱回収ボイラの受熱量が増加するため、プロセス蒸気需要量に見合った蒸気発生を継続するため、助燃バーナの燃料量を徐々に低減していく。

５）ガスタービン排気ガスが排熱回収ボイラに流入することで排熱回収ボイラ通風量が増加するため、助燃バーナの火炎喪失を防止するため、押込通風機出口ダンパの徐閉動作で排熱回収ボイラの通風量を一定に保つ。

以上の手段により、排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンを追加起動してガスタービンコージェネレーション運転に復帰する運用が可能となる。この結果、ガスタービン緊急停止時及び排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転復帰時にも安定したプロセス蒸気を供給継続することが可能となる。

以上説明した本実施例によれば、ガスタービン緊急停止などの異常時及び排熱回収ボイラ単独運転から本来のガスタービンコージェネレーション運転への復帰時に、コージェネレーション設備の製品となる発生蒸気の変動を最小限とすることが可能となる。

本発明によるガスタービンコージェネレーション設備の一実施形態を表す概略図。 ガスタービン緊急停止時における各ダンパの切替状態を示す図。 ガスタービン緊急停止時における各装置の動作タイムチャート図。 排熱回収ボイラ単独運転からガスタービンコージェネレーション運転復帰時における、各装置の動作タイムチャート図。

符号の説明

１…ガスタービン、２…ガスタービン発電機、３…排熱回収ボイラ、４…プロセス送気系統、５…ガスタービン排気ダクト、６…バイパススタック、７…バイパススタックダンパ、８…空気圧縮機、９…吸込空気系統、１０…燃焼器、１１…燃料供給系統、１２…排熱回収ボイラ入口ダンパ、１３…押込通風機、１４…押込通風機出口ダンパ、１５…燃焼用空気吸込系統、１６…主助燃バーナ、１７…助燃パイロットバーナ、１８…助燃バーナ燃料供給系統、１９…排熱回収ボイラ給水系統、２０…制御装置、２１…押込通風機出口大気放出ダンパ、２２…タービン、２３…燃焼用空気供給ダクト。

Claims (4)

1. ガスタービンと、助燃バーナを有する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラに前記助燃バーナの燃焼用空気を供給する押込通風機と、ガスタービン排ガス経路の排熱回収ボイラ入口に設けられた排熱回収ボイラ入口ダンパと、前記ガスタービンから排熱回収ボイラに導かれるガスタービン排ガスをバイパスするバイパスダンパと、前記押込通風機の出口に設けられた押込通風機出口ダンパとを備えたコージェネレーションプラントにおいて、
   前記ガスタービンが緊急停止した場合、前記助燃バーナの出力を低下させ、前記バイパスダンパを開操作、前記排熱回収ボイラ入口ダンパを閉操作してガスタービン排ガスの流路を切り替え、前記押込通風機の出力を上昇させると共に前記押込通風機出口ダンパを開操作して、該押込通風機出口ダンパが所定開度となった後に、前記助燃バーナの出力を上昇させる制御装置を備えたことを特徴とするコージェネレーションプラント。
2. 前記制御装置は、前記押込通風機を常時アイドリング運転とし、ガスタービン緊急停止した場合に回転数を上昇させるものであることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションプラント。
3. 前記助燃バーナは主助燃バーナと助燃パイロットバーナによって構成され、前記制御装置はガスタービンが緊急停止した場合に主助燃バーナへの燃料量を減少または停止させると共に助燃パイロットバーナのみを継続運転し、ガスタービン排気ガス流路をバイパスダンパに切り替えた後に、主助燃バーナを再点火して排熱回収ボイラを単独運転に移行させることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションプラント。
4. 前記制御装置は、前記排熱回収ボイラ単独運転時にバイパススタックを利用してガスタービンを再起動し、バイパススタックダンパを徐閉し排熱回収ボイラ入口のドラフトバランスを確立した後に排熱回収ボイラ入口ダンパを徐開させ、バイパススタックダンパを徐閉及び排熱回収ボイラ入口ダンパを徐開動作させてガスタービンコージェネレーション運転に復帰させることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションプラント。
   

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