JP2007278152A - ガスタービンシステム及びガスタービンシステムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術では、重油加熱器において過熱蒸気と重油とを熱交換させるため、重油を予熱目標温度で維持するよう過熱蒸気の供給量を調整する必要が生じ、重油の温度制御が複雑になる。また、従来技術では、重油の温度制御については何ら考慮されていない。そこで本発明では、燃料改質器に供給される水又は重油の温度制御を容易にすることを目的とする。
【解決手段】本発明は、燃料改質器に供給される流動媒体としての水又は重油を予熱する予熱器と、予熱器の熱媒体として飽和水蒸気を用いることを特徴とする。
【効果】本発明によれば、燃料改質器に供給する水又は重油の温度制御を容易にすることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンシステム及びガスタービンシステムの運転方法に関する。

重油は廉価であるが、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、ガスタービン燃料に適さない。このため、重油を軽質化と脱硫黄化、及び脱金属化し、ガスタービンにも使用できる燃料を生成する方法が特許文献１に開示されている。この特許文献１では、ガスタービンから排出された排ガスと水を熱交換させて過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気を重油加熱器に供給して重油を昇温させている。

特開２００５−３０７８１２号公報

この特許文献１では、重油加熱器において過熱蒸気と重油とを熱交換させるため、重油を予熱目標温度で維持するよう過熱蒸気の供給量を調整する必要が生じ、重油の温度制御が複雑になる。また、特許文献１では、重油の温度制御については何ら考慮されていない。

そこで本発明では、燃料改質器に供給される水又は重油の温度制御を容易にすることを目的とする。

本発明は、燃料改質器に供給される流動媒体としての水又は重油を予熱する予熱器と、予熱器の熱媒体として飽和水蒸気を用いることを特徴とする。

本発明によれば、燃料改質器に供給される水又は重油の温度制御を容易にすることが可能である。

以下に各実施例を説明する。

図１は、実施例１におけるガスタービンシステム全体を示す構成図である。本実施例では、ガスタービン排熱を利用して得られる高温高圧水（３５０〜５００℃，１０〜３０
ＭＰａ）と重油とを燃料改質器７に供給する。燃料改質器７では、重油と高温高圧水とを混合反応させ、重油を軽質化して改質燃料を製造する。そして、その改質燃料をガスタービン用燃料として利用する。

ガスタービンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮機１からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼器３からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン２と、タービン２と同軸に連結された発電機６０とを備える。また、タービン２が排出する燃焼排ガスと水とを熱交換させる排熱回収ボイラ４もガスタービンに備えられている。この排熱回収ボイラ４には、燃焼排ガスの流れ方向上流側から順に高圧側熱交換器２００，低圧側熱交換器２０１を備える。そして、排熱回収ボイラ４内の燃焼排ガスは高圧側熱交換器２００と低圧側熱交換器２０１で熱媒体と熱交換をした後、外部へ排出される。

一方、燃料改質器７に供給する重油は、重油貯留タンク２０８と予熱器７０との間の系統４０に設けられた重油加圧ポンプ８１によって重油が予熱器７０に供給される。同様に、燃料改質器７に供給する高温高圧水も、水貯留タンク２０９と予熱器７０との間の系統３０に設けられた水加圧ポンプ８０によって水が予熱器７０に供給される。この予熱器
７０では、流動媒体である重油と水の混合を行わず、単一の熱媒体で両者をそれぞれ加熱する。予熱器７０とその下流側に配置された混合器２０２との間には重油を供給する系統４１及び水を供給する系統３１を備える。そして、予熱器７０で予熱した流動媒体である重油と水を系統４１，３１によって混合器２０２に供給し、両者を混合する。混合器202で混合された重油と水の混合流体は、混合器２０２と改質予熱器７１との間の系統２０３を通じて改質予熱器７１に供給され、加熱される。改質予熱器７１で加熱された混合流体は、改質予熱器７１と燃料改質器７との間の系統２０４を通じて燃料改質器７に供給される。燃料改質器７と燃焼器３との間は、改質燃料が流れる燃料供給系統９０を備える。

流動媒体として供給された水と重油を予熱器７０で加熱する熱媒体は、排熱回収ボイラ４の低圧側熱交換器２０１で加熱された飽和水蒸気が用いられる。そのため、低圧側熱交換器２０１と予熱器７０との間に飽和水蒸気を供給する系統５１を備えるとともに、水貯留タンク２０９と低圧側熱交換器２０１との間の系統５０に圧力ポンプ８２を配置する。この圧力ポンプ８２は、飽和水蒸気の圧力を設定する役割を果たし、圧力を変えることで飽和水蒸気の温度も設定することになる。なお、圧力ポンプ８２は低圧側熱交換器２０１と予熱器７０との間の流路に設けても良い。また、改質予熱器７１で混合流体を加熱する熱媒体は、排熱回収ボイラ４の高圧側熱交換器２００で加熱された過熱蒸気が用いられる。そのため、水貯留タンク２０９と高圧側熱交換器２００との間の系統５５に圧力ポンプ８３を備える。なお、この圧力ポンプ８３も、高圧側熱交換器２００と改質予熱器７１との間の流路に設けても良い。

図２は、予熱器７０の構造である。その構造は三重管であり、同心円状に管を構成する。中心部の管２０５には流動媒体である重油、管２０５の外周側の管２０６には流動媒体である水、管２０６の外周側の管２０７に熱媒体である飽和水蒸気を流通させる。これにより、最外周側を流通している熱媒体である飽和水蒸気の熱エネルギーが管２０６の内部を流れる水に伝熱されて高温高圧水となり系統３１に流れる。また、高温高圧水の熱エネルギーが中心部の管２０５を流れる重油に伝熱されて加熱重油となり、系統４１に流れる。ただし、中心部の管２０５に熱源である飽和水蒸気を流通させる構造でも何ら構わない。

次に、図１のガスタービンシステムにおける運転方法について説明する。

ガスタービン起動時には、起動用燃料である軽油１０を燃焼器３に供給する。また、圧縮機１は外気から取り込む空気２０で圧縮空気を生成し、その圧縮空気を燃焼器３に供給する。そして、燃焼器３が軽油と圧縮空気とを混合燃焼して、ガスタービンが起動する。燃焼器３が生成した燃焼ガスはタービン２を駆動させた後、排熱回収ボイラ４に送られる。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。そして、排熱回収ボイラ４では、高圧側熱交換器２００と低圧側熱交換器２０１において水と燃焼排ガスとの熱交換を行い、過熱蒸気及び飽和水蒸気をそれぞれ生成する。

水は、水加圧ポンプ８０によって２０〜２５ＭＰａ程度に昇圧されて予熱器７０に送られる。一方、重油は、重油加圧ポンプ８１によって２０〜２５ＭＰａ程度に昇圧された後、予熱器７０に供給される。予熱器７０では、重油にコークスが発生しない温度を目安に加熱する。そして、予熱器７０から排出された水と重油は混合器２０２で混合された後、改質予熱器７１で更に加熱される。それぞれ昇温昇圧された加熱重油及び高温高圧水の混合流体を燃料改質器７に供給し、改質燃料を製造する。燃料改質器７は単筒もしくは複数の円筒容器で構成され、各円筒容器内部で高温高圧水と重油が混合される。高温高圧水は重油との均一層を形成し、重油中の比較的高分子の油を分解及び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の内部で、分離反応により重油改質および重金属除去が行われ、改質燃料を生成し、燃料供給系統９０を流れる。そして、改質燃料は減圧器１００で減圧された後、燃焼器３に供給され、燃焼用空気と混合燃焼される。本実施例の改質燃料焚きガスタービンシステムは、燃料改質器７が生成した改質燃料を主燃料として、燃焼器３が生成する燃焼ガスでタービン２を駆動するシステムである。

本実施例では、燃料改質器に流動媒体として供給される水又は重油を予熱する予熱器の熱媒体に飽和水蒸気を用いる。このように飽和水蒸気を熱媒体として使用することで、飽和水蒸気の圧力を一定に設定して一定温度に保つことが可能である。そのため、燃料改質器に供給される水又は重油の温度制御を容易にすることが出来る。

図５は、水蒸気飽和温度特性図を示す。図５の横軸は水蒸気の圧力を示し、縦軸は水蒸気の温度を示す。この図より、水蒸気を２０Ｍｐａに設定した場合、水蒸気の流量が変化しても飽和温度は約３６７℃で一定となる。そのため、予熱器７０で予熱される水と重油の予熱温度の最高温度は飽和温度と同じ約３６７℃となる。また、水蒸気を１５ＭＰａで設定した場合、予熱温度の最高温度は飽和温度と同じ約３４２℃となる。このように、水蒸気飽和温度には所定の特性傾向が示されている。

これに対して、予熱器の熱媒体に過熱水蒸気を使用した場合、水蒸気の流量が変化すると蒸気の内部熱量が変化するため、過熱水蒸気の流量を制御するという複雑な制御をする必要が生じる。この複雑な制御を適切に実施しないと、燃料改質器に供給する水又は重油の温度制御が困難になる。

従って、予熱器の熱媒体として飽和水蒸気を用いることで、熱源である飽和水蒸気の流量変化に影響されること無く、系統３０の水と系統４０の重油の予熱後温度を飽和水蒸気の任意の圧力に対応する温度と同じ温度にすることが容易にできる。重油を予熱する場合は重油にコークスが発生する温度（約４００℃）未満の温度である飽和水蒸気を用いることが望ましい。そして、予熱器にその所望温度となるよう圧力を設定した飽和水蒸気を供給することで、重油のコークス発生を抑制することができる。水と重油を混合した後、予熱する改質予熱器７１においては、排熱回収ボイラ４で生成し系統５６を流れる高温
(５００〜５５０℃)の過熱水蒸気と熱交換することによって目標である３５０℃〜５００℃程度まで加熱することが可能である。このように、水又は重油を予熱する予熱器７０の熱媒体として飽和水蒸気を用いることにより、温度制御機器の簡素化を図り、燃料改質器に供給する水又は重油の温度制御を容易にすることが可能である。

また、本実施例では燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、熱媒体として排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用いている。図２に示す予熱器７０のように、単一の熱媒体である飽和水蒸気を用いて水と重油を加熱することで、予熱器７０から排出される系統３１の水と系統４１の重油の温度はほぼ同じ温度となる。そのため、両者を混合器２０２で混合した際の温度差が少なく、混合器202における熱衝撃を低減することが可能である。また、排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用いることで、目標温度となる飽和水蒸気を容易に得ることが出来る。なお、単一の熱媒体で水と重油を加熱する場合には、重油にコークスが発生する温度よりも低い温度で加熱する必要がある。

また、本実施例では燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、熱媒体として排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用い、予熱器から排出される予熱された流動媒体が熱媒体の温度とほぼ同じ温度となる手段を有する。予熱された流動媒体と熱媒体の温度とがほぼ同じ温度となる手段を予熱器が有することにより、熱媒体の流量を調整するといった複雑な制御を行わなくても、所望の流動媒体温度を得ることが出来る。

また、本実施例では燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、熱媒体として排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用い、予熱器から排出される予熱された流動媒体が熱媒体の温度とほぼ同じ温度となるよう予熱器の伝熱管の長さを設定する。図６は、予熱器内の乱流熱伝達による伝熱管長さと予熱温度の関係を計算した一例を示すものである。図６の横軸は、予熱器内に設けられる伝熱管の長さを示し、縦軸は予熱器から排出される予熱された流動媒体の温度を示す。予熱器の構造や流体条件によって、伝熱管長さと予熱温度の関係は変わるため、参考例として掲載している。図６の曲線Ａのように、２０ＭＰａの飽和水蒸気（３６６℃）を熱媒体とした場合、予熱器から排出される予熱された流動媒体の温度は、伝熱管長さが約５０ｍ（点α）以上で飽和水蒸気温度（３６６℃）と漸近している。そこで、予熱器７０内に設置する伝熱管長さの設計値を６５ｍとした場合、熱媒体である飽和水蒸気量が多少増減しても伝熱管長さに余裕があるため、流量変化の影響をほとんど受けること無く安定した予熱温度を得ることができる。

これに対して、通常の予熱器では、予熱する流体の目標温度より１００℃程度高温に熱媒体の温度を設定する。即ち、重油の予熱目標温度が３６６℃の場合、熱媒体の温度は約４６６℃となる。そのため、重油の伝熱管表面温度は熱源である熱媒体の温度に近くなる。重油は重油単独状態で約４００℃以上に加熱されると伝熱管内部表面にコークス（炭化物）が生成しやすくなるため、伝熱管内部が閉塞しやすくなる可能性を有する。従って、流動媒体である水と重油が予熱目標温度を超えないように水と重油を予熱する予熱器の温度制御が必要不可欠となる。具体的には、熱媒体である蒸気の温度，流量制御によって、水と重油を目標温度まで予熱するが、制御機器が多くなることや、過渡時における温度制御が困難になる。

そこで、本実施例では予熱器の熱媒体として飽和水蒸気を使用し、飽和水蒸気の圧力を重油の予熱目標温度に設定するとともに、予熱器から排出される予熱された流動媒体の温度が飽和水蒸気の温度とほぼ同じ温度が得られる伝熱管長さを有する予熱器を備えることで、温度制御機器の簡素化を図り設計が容易になるとともに、予熱器の熱媒体量が増減しても安定した重油の予熱温度を得ることが可能である。

また、本実施例では、水と重油を予熱する予熱器７０と、予熱器７０が予熱した水と重油を混合する混合器２０２と、混合器２０２で混合された水と重油の混合流体を予熱する改質予熱器７１とを燃料改質器７の上流側に設け、予熱器７０の熱媒体として飽和水蒸気を用い、飽和水蒸気の温度を圧力で制御している。このように、重油の予熱過程を予熱器７０と改質予熱器７１の２段階に分けることで、予熱器７０では重油にコークスが生じない温度までの予熱温度にとどめ、改質予熱器７１で燃料改質に必要な温度まで上昇させることができる。予熱器７０では重油のみを予熱するため、予熱温度が制限されるのに対し、改質予熱器７１では水と重油の混合流体であるため、重油のみの場合に比べて予熱温度を高く設定できるためである。また、予熱器７０に供給する熱媒体の温度を重油にコークスが生じない温度にとどめているため、予熱器７０から排出される予熱された流動媒体の温度が飽和水蒸気の温度とほぼ同じ温度が得られる所望の伝熱管長さを有する予熱器７０を使用することが可能となる。

図３は、予熱器７０の別の構造を示す。その構造は基本的に図２と同様である。図１との相違点は、中心部の管２０５に水、管２０６に重油、最外周側の管２０７に熱媒体である飽和水蒸気を流通させる構造を特徴としている。これにより、外側を流通している飽和水蒸気の熱エネルギーが管２０６の重油に伝熱されて加熱重油となり、更に、加熱重油の熱エネルギーが管２０５の水に伝熱されて高温高圧水となる。ただし、中心部の一重管に熱源である飽和水蒸気を流通させる構造でも何ら構わない。

図４は、予熱器７０の別の構造を示す。その構造は、熱媒体である飽和水蒸気を流通させる予熱器の中に、それぞれ独立して重油と水を流通させるよう配置した構造を特徴とする。

実施例１におけるガスタービンシステム全体を示す構成図である。 実施例１における予熱器７０の構造を示す図である。 予熱器７０の別の構造を示す図である（実施例２）。 予熱器７０の別の構造を示す図である（実施例３）。 水蒸気の飽和温度特性を示す概要図である。 予熱器内の乱流熱伝達による伝熱管長さと予熱温度の関係を計算した一例を示す概要図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼器、４…排熱回収ボイラ、５…重油加熱器、７…燃料改質器、１０…軽油、２０…空気、３０，３１，４０，４１，５０，５１，５５，
５６，２０３，２０４…系統、３３…低温水蒸気、６０…発電機、７０…予熱器、７１…改質予熱器、８０…水加圧ポンプ、８１…重油加圧ポンプ、８２…圧力ポンプ、８３…ポンプ、９０…燃料供給系統、１００…減圧器、２００…高圧側熱交換器、２０１…低圧側熱交換器、２０２…混合器、２０５，２０６，２０７…管、２０８…重油貯留タンク、
２０９…水貯留タンク。

Claims (6)

1. 高温高圧水と重油によって改質燃料を製造する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料を燃焼させる燃焼器を有したガスタービンとを備えたガスタービンシステムであって、
   前記燃料改質器に供給される流動媒体としての水又は重油を予熱する予熱器と、該予熱器の熱媒体として飽和水蒸気を用いることを特徴とするガスタービンシステム。
2. 高温高圧水と重油によって改質燃料を製造する燃料改質器と、該燃料改質器が生成した改質燃料を燃焼させる燃焼器を有したガスタービンと、該ガスタービンが排出する燃焼排ガスが供給される排熱回収ボイラとを備えたガスタービンシステムであって、
   前記燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、該熱媒体として前記排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用いることを特徴とするガスタービンシステム。
3. 高温高圧水と重油によって改質燃料を生成する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料と空気とを燃焼させる燃焼器を有したガスタービンと、該ガスタービンが排出する燃焼排ガスが供給される排熱回収ボイラとを備えたガスタービンシステムであって、
   前記燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、該熱媒体として前記排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用い、前記予熱器から排出される予熱された流動媒体が前記熱媒体の温度とほぼ同じ温度となる手段を有することを特徴とするガスタービンシステム。
4. 高温高圧水と重油によって改質燃料を生成する燃料改質器と、該燃料改質器が製造した改質燃料と空気とを燃焼させる燃焼器を有したガスタービンと、該ガスタービンから排出された燃焼排ガスが供給される排熱回収ボイラとを備えたガスタービンシステムであって、
   前記燃料改質器に流動媒体として供給される水及び重油を単一の熱媒体で加熱する予熱器を設け、該熱媒体として前記排熱回収ボイラからの飽和水蒸気を用い、前記予熱器から排出される予熱された流動媒体が熱媒体の温度とほぼ同じ温度となるように、前記予熱器の伝熱管の長さを設定することを特徴とするガスタービンシステム。
5. 請求項１記載のガスタービンシステムであって、
   前記予熱器は同心円状の三重管であって、最外周側に飽和水蒸気を供給し、内側の二重管部に水と重油を供給することを特徴するガスタービンシステム。
6. 水と重油を予熱する第１の工程と、
   該第１の工程で予熱された水と重油とを混合して改質燃料を製造する第２の工程と、
   該第２の工程で製造された改質燃料を燃焼させ発電機を駆動する第３の工程を有するガスタービンシステムの運転方法であって、
   前記第１の工程で水と重油を予熱する熱源として飽和水蒸気を用いることを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
   

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