JP2010270594A - 重質油改質燃料焚きガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシステム系内の熱源利用により外部エネルギ利用を最小限とすることで、重質油改質用熱利用率の向上を目的とする。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機２２と、水２と重質油１を高温高圧状態で混合して軽質化し改質燃料を生成する改質器７と、圧縮機２２で圧縮された圧縮空気３０と改質器７で生成された液体改質燃料１８ａとを混合燃焼させて燃焼ガス３１を生成する燃焼器２４と、燃焼器２４で生成された燃焼ガス３１により回転駆動されるタービン２３とを備えたガスタービンシステムにおいて、改質器７に供給される水２と重質油１の少なくとも一方を加熱する第一の熱交換器である熱交換器１５と、圧縮機２２で圧縮された圧縮空気３０を燃焼器２４に供給される前に抽気して、抽気圧縮空気３０ａとして第一の熱交換器１５に供給する系統とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、重質油を改質し、改質した燃料を用いて運転するガスタービンシステムに関する。

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、ガスタービン燃料に適さない。このため、重質油を軽質化や脱硫黄化、及び脱金属化して、ガスタービンにも利用可能な燃料に改質する方法が、特許文献１に開示されている。この特許文献１の技術では、高温高圧水と重質油とを２５ＭＰａ、４００℃程度の反応条件で反応させ、熱分解と加水分解を行い、改質燃料を生成する。そして、この改質燃料をガスタービンに供給するガスタービン発電システムを開示している。

また、ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水（３５０−５００℃，１０−３０ＭＰａ程度）を生成する高温高圧水製造装置を設置し、得られた高温高圧水と重質油を混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造し、その改質燃料を用いる高温・高圧水利用重質油改質ガスタービン発電システムが特許文献２に開示されている。

特開２００２−３３８９７３号公報 特願２００４−１６１２４１号公報

従来提案されている重質油を改質して得られる改質燃料を用いたガスタービン発電システムにおいては、改質器や水、重質油を加熱する熱源として、ガスタービンの排熱を利用したものや別途熱源を用いるシステムであることが多い。特に、５００℃以上の排熱温度を利用する排熱回収型のシステムでは、大気圧状態である約５００−６００℃の排ガス密度が小さいことから、必要な熱量を得るために大量の排気ガス流量が必要となる。そのため、改質器等の各機器を適正な加熱温度とするために温度制御装置や流量制御装置等が必要となることから、機器構成コストが増大する。また、別途熱源（電気エネルギ，熱エネルギ等）を用いるシステムでは、新たな熱エネルギ投入が必要となる。

そこで、本発明の目的は、新たな熱エネルギの消費を少なくし、簡単な構造で改質燃料を生成する熱源を得ることにある。

空気を圧縮する圧縮機と、水と重質油を高温高圧状態で混合して軽質化し改質燃料を生成する改質器と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記改質器で生成された改質燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器に供給される水と重質油の少なくとも一方を加熱する第一の熱交換器と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を前記燃焼器に供給される前に抽気して、前記第一の熱交換器に供給する系統とを有することを特徴とする。

本発明によれば、新たな熱エネルギの消費を少なくし、簡単な構造で改質燃料を生成する熱源を得ることができる。

実施例１における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。 比較例の重質油改質燃料焚きガスタービンシステムの概念図である。 実施例２における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。 実施例３における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。 実施例４における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。 実施例５における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。 実施例６における圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの概念図である。

本発明は、ガスタービンの圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を抽気し、その抽気圧縮空気の熱エネルギを用いて水と重質油を予熱するものである。そうすると、水と重質油とを高温高圧状態で混合して重質油から改質燃料を製造する改質器において、この水と重質油の予熱源に圧縮機から得られる圧縮空気の熱エネルギを利用することができ、重質油改質用熱利用率の向上が図れる。例えば圧縮空気の一部を取出す抽気圧縮空気の系統を備え、抽気圧縮空気の熱を水と重質油に伝熱させる熱交換器を設置し、かつ、熱交換した後の低温化した抽気圧縮空気をタービン翼冷却用空気とするための系統を設けることができる。

本発明のシステムによると、ガスタービンの排熱を回収するシステムと比べ、構造が簡単で設備費用を削減することができる。

圧縮機から抽気した約４００℃の空気の熱エネルギを利用することから、重質油を４００℃以上加熱させることができないため、燃料の一部が固化するコーキング現象を防げると同時に、温度制御装置を設けることなく水と重質油をほぼ一定温度（３００−３５０℃程度）に予熱することもできる。

熱交換した後の低温となった抽気圧縮空気をタービン翼冷却用空気とすることにより、翼冷却性が向上するとともに、冷却空気量を低減させることが可能となり、システム全体の効率が向上する。

熱交換した後の低温となった抽気圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給し、液体改質燃料を微粒化する噴霧空気として使用することにより、燃料ノズル付近で生じるコーキング（燃料固化）予防が図れる。

改質器に供給する重質油系統の重質油中に抽気圧縮空気の一部を直接供給することにより、空気中の酸素と燃料である重質油が部分酸化反応することによって一酸化炭素（ＣＯ）や、水素（Ｈ₂），メタン（ＣＨ₄）等の可燃ガスが生成される。その気液の燃料を気液分離器によって分離した液体改質燃料と気体改質燃料をそれぞれ燃焼きと助燃バーナで燃焼させた場合、良好な燃焼性が期待できる。

以下実施例を用いて、重質油による改質燃料焚きガスタービン発電システムについて説明する。

図２は、比較例の重質油改質燃料焚きガスタービンシステムを示している。ここでは一例として、通常運転時（連続運転）を示す。
水２と重質油１を改質器７内において高温高圧状態（３００−５００℃，１０−３０ＭＰａ）で混合し、水熱反応させることにより、重質油が軽質化して液体改質燃料１８ａが生成される。改質器７底部からは、残渣油であるタール１７がタール管８内に滞留し、タール弁の開閉により外部に排出される。この液体改質燃料１８ａは高温高圧であるため、減圧オリフィス１１によって減圧された後、気液分離器１２を経て改質油タンク１４に貯蔵され、改質燃料ポンプ２７によって加圧しながら燃焼器２４に供給される。

本比較例のガスタービンは、圧縮機２２で生成した圧縮空気と液体改質燃料１８ａを燃焼器２４で混合燃焼させ、この燃焼ガスによりタービン２３を回転駆動させ発電し、その後、燃焼排ガス２５は排出される。本比較例では、一例として、ガスタービンの燃焼排ガスの熱を利用して熱交換器１５により改質器７を加熱するシステムを示している。また、改質器７の加熱源として、図示していないが、例えば電気ヒータやタールを燃料とするタール焚き炉の排熱を用いても良い。

図１は、本発明の実施例１である圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。

本実施例の特徴は、水２と重質油１とを高温高圧状態で混合して重質油１から改質燃料を製造する改質器７において、水２と重質油１の予熱源に圧縮機２２から得られる圧縮空気の熱エネルギを利用することである。すなわち、ガスタービン圧縮機でつくられる圧縮空気３０において、圧縮空気の一部を取出す圧縮空気３０ａの系統を備え、抽気圧縮空気の熱を水２と重質油１に伝熱させる第一の熱交換器である熱交換器１５を設ける。

熱交換器１５では、圧縮機２２から抽気した約４００℃の圧縮空気３０ａの熱エネルギを利用することから、重質油を４００℃以上加熱させることができない。そのため、燃料の一部が固化するコーキング現象を防げると同時に、温度制御装置を設けることなく水２と重質油１をほぼ一定温度（３００−５００℃程度）に予熱することができる。

その後、助燃バーナ２８で生成された燃焼ガスとの第二の熱交換器１６での熱交換により改質器７を改質温度条件まで加熱することになるが、本実施例のシステムでは、助燃バーナ２８に改質器下７流側に設けた気液分離器１２により分離された気体改質燃料１８ｂを供給する系統と改質器７から得られるタール１７を供給する系統を備えている。これらを助燃バーナ２８の燃料とすることにより、水２と重質油１が予熱されていることとあいまって、改質器７を昇温する際、助燃バーナ２８で消費する助燃バーナ用燃料５は少なくて良いこととなり、新たな燃料の消費量増加を抑制することができる。

気液分離器１２により分離された液体改質燃料１８ａは、燃焼器２４で燃焼され、燃焼器２４からの燃焼ガスによりタービン２３を回転駆動させる。

ここで、水２と重質油１を加熱させる熱交換器１５での熱量と、改質器７の加熱温度について検討する。比較例のガスタービン燃焼排ガスの熱を利用して水２，重質油１および改質器７を加熱しているシステムでは、加熱源は大気圧状態となった約５００−６００℃の排気ガス９である。この場合排ガス密度が小さいため、必要な熱量を得るために大量の排気ガス流量が必要となり、各熱交換器や配管等のサイズが大きくなる。また、排ガス温度が約５００−６００℃と高温であることから、水２，重質油１および改質器７を加熱させる際、改質温度条件を設定する流量制御装置や温度制御装置が必要となる。各制御装置が無いシステムでは、改質器７が５００℃以上の過加熱となった場合、コーキング現象によるシステム系統の閉塞問題が生じるためである。この問題を回避するために、各制御装置が必要となり、設備コストの増加を招く。

これに対して、本実施例のシステムでは、抽気した圧縮空気を利用している。空気の圧力は約１.５ＭＰａ、温度は約４００℃であり、大気圧状態の排気ガス９に比べて密度が大きい。その分、単位体積当りの保有熱量は約１０倍大きいこととなり、水２と重質油１を予熱させる熱交換器１５においては、大気圧状態の排気ガスに比べて１／５−１／１０程度のサイズに小さくすることが可能である。更に、約４００℃の空気の熱エネルギを利用することから、重質油を４００℃以上加熱させることができないため、燃料の一部が固化するコーキング現象によるシステム系統の閉鎖の可能性は低い。

また、タービン翼冷却用空気はガスタービンの圧縮機で作られる約４００℃の圧縮空気から数％程度の量を抽気し、その約４００℃の抽気圧縮空気をタービン翼冷却用空気として用いることが多い。これに対して、本実施例では熱交換した後の低温化した圧縮空気３０ａをタービン翼冷却用空気として用いている。そうすると、冷却用空気の温度が低下した分、タービン翼冷却性が向上するとともに、冷却空気量を低減させることが可能となり、システム全体の効率が向上する。

さらに、水２と重質油１を予熱する熱源が高温の空気なので、煤等の発生がないことから熱交換部の汚れが無く、熱交換性能の低下を防止すると同時にメンテナンスコストが低減できるメリットもある。

図３は、実施例２の圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。その構成は基本的に図１と同様である。相違点は、燃焼器２４に例えば軽油等の、改質器７で生成された改質燃料以外の燃料である補助燃料４を供給できる系統を設けたことである。これにより、軽油等の補助燃料４を起動用として使用できる他、急なガスタービンの負荷変動、特に発電量増大に伴う出力増加（負荷増加）に迅速に対応することが可能となる。

また、重質油改質系統に支障を生じても、軽油等の補助燃料４を供給できるため、運転途中でガスタービンを停止させる問題が回避される。

図４は、実施例３の圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。その構成は基本的に図１と同様である。相違点は、圧縮空気３０ａをコンプレッサ２０により昇圧し、熱交換後の低温化した抽気圧縮空気を、燃焼器２４に供給する液体改質燃料１８ａの微粒化のための噴霧空気として用いる系統を備えたことである。これにより、燃焼器に付属している燃料ノズルから液体改質燃料１８ａを噴出させる際、熱交換後の低温となった圧縮空気３０ａを噴霧空気として燃料ノズルに供給できる。そうすると、液体改質燃料１８ａは微粒化され、燃焼を安定化することが可能になると同時に、燃料ノズル付近で生じるコーキング予防が図れる。約４００℃の抽気圧縮空気を噴霧空気として液体改質燃料を微粒化させた場合、空気の熱により液体改質燃料１８ａの一部が固化するコーキング現象を生じることがあり、その場合、燃料ノズルの噴孔を閉塞する等の不具合が発生する。これに対して本実施例のシステムでは、熱交換後の低温化した圧縮空気３０ａを噴霧空気として用いるため、コーキング現象を低減もしくは予防する効果が期待できる。

図５は、実施例４の圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。その構成は基本的に図１と同様である。相違点は、タービン２３を回転駆動した後の燃焼ガスである燃焼排気ガス９の一部を取出す抽気排気ガス９ａの系統を備え、その抽気排気ガス９ａの熱により改質器を改質温度条件まで加熱するための熱交換器１６を備えたことである。水２と重質油１が圧縮空気３０ａの熱により予熱されている分、改質器７を改質温度条件まで加熱するのに必要な抽気排気ガス量は少なくて良く、熱交換器１６や配管等のサイズも小さくできる。更に、助燃バーナが不用となり、助燃バーナ用燃料の燃料費削減も可能となる。

図６は、実施例５の圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。その構成は基本的に図１と同様であり、相違点は改質器７を高温に加熱する専用の触媒式助燃バーナ２９を設けたことである。これにより、通常の助燃バーナ用燃料５の燃料量に対して、小流量で低カロリーな助燃用燃料であっても触媒作用により有利に燃焼反応させることができ、更に、改質器７をより均一に加熱することが可能となる。

図７は、実施例６における他の圧縮空気熱利用重質油改質燃料焚きガスタービン発電システムの系統概念を示している。その構成は基本的に図１と同様であり、相違点は改質器７に供給する重質油系統の重質油中に、抽気圧縮空気を直接供給する系統を設けたことである。すなわち、熱交換器１５で加熱され改質器７に供給される前の重質油１に、熱交換器１５で熱交換される前の圧縮空気３０ａを供給する系統を有する。これにより、空気中の酸素と燃料である重質油が部分酸化反応することによって一酸化炭素（ＣＯ）や、水素（Ｈ₂），メタン（ＣＨ₄）等の可燃ガスが生成される。その気液の燃料を気液分離器４１によって分離した液体状の改質燃料と気体状の可燃ガスをそれぞれ燃焼器で燃焼させた場合、良好な燃焼性が得られる可燃ガスの燃焼火炎により、液体状の改質燃料の燃料流量が少量であっても安定した燃焼性が期待できる。更に、重質油中に含まれるタール状の油は、水熱反応にて改質することは困難であるが、このタール状の油や残渣油であっても部分酸化させることができるため、重質油の利用率向上も期待できる。

以上説明した各実施例であるガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機２２と、水２と重質油１を高温高圧状態で混合して軽質化し改質燃料を生成する改質器７と、圧縮機２２で圧縮された圧縮空気３０と改質器７で生成された液体改質燃料１８ａとを混合燃焼させて燃焼ガス３１を生成する燃焼器２４と、燃焼器２４で生成された燃焼ガス３１により回転駆動されるタービン２３とを備えたガスタービンシステムにおいて、改質器７に供給される水２と重質油１の少なくとも一方を加熱する第一の熱交換器である熱交換器１５と、圧縮機２２で圧縮された圧縮空気３０を燃焼器２４に供給される前に抽気して、圧縮空気３０ａとして第一の熱交換器１５に供給する系統とを有している。

このような構成のガスタービンシステムでは、水２や重質油１の熱源として圧縮空気３０ａを利用できるため、新たな熱エネルギの消費を少なくすることができる。また、水や重質油を必要以上に高温化することがなくなるため、簡単な構造で改質燃料を生成する熱源を得ることができる。

１ 重質油
２ 水
３ 空気
４ 補助燃料
５ 助燃バーナ用燃料
６ 助燃バーナ用空気
７ 改質器
８ タール管
９ 排気ガス
９ａ 抽気排気ガス
１１ 減圧オリフィス
１２，４１ 気液分離器
１４ 改質油タンク
１５，１６ 熱交換器
１７ タール
１８ａ 液体改質燃料
１８ｂ 気体改質燃料
１９ 可燃ガス
２０ コンプレッサ
２２ 圧縮機
２３ タービン
２４ 燃焼器
２５ 燃焼排ガス
２７ 改質燃料ポンプ
２８ 助燃バーナ
２９ 触媒式助燃バーナ
３０，３０ａ 圧縮空気
３１ 燃焼ガス
４０ 改質油供給弁
４５ タール弁

Claims (9)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   水と重質油を高温高圧状態で混合して軽質化し改質燃料を生成する改質器と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記改質器で生成された改質燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンシステムにおいて、
   前記改質器に供給される水と重質油の少なくとも一方を加熱する第一の熱交換器と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を前記燃焼器に供給される前に抽気して、前記第一の熱交換器に供給する系統と
   を有することを特徴とするガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記第一の熱交換器で熱交換した圧縮空気を、前記タービンの翼に供給する系統を有することを特徴とするガスタービンシステム。
3. 請求項１，２に記載のガスタービンシステムにおいて、
   燃焼ガスを生成する助燃バーナと、
   前記助燃バーナで生成された燃焼ガスとの熱交換により前記改質器を加熱する第二の熱交換器と
   前記改質器で生成された改質燃料を分離する気液分離機と、
   前記気液分離機で分離された気体改質燃料を前記助燃バーナに供給する系統を有することを特徴とするガスタービンシステム。
4. 請求項１−３に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記熱交換器で熱交換した圧縮空気を、前記燃焼器の燃料ノズルに供給する系統を有することを特徴とするガスタービンシステム。
5. 請求項１−４に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記改質器で生成された改質燃料以外の燃料である補助燃料を前記燃焼器に供給する系統を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
6. 請求項３−５に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記タービンを回転駆動した後の燃焼ガスである燃焼排気ガスを、前記第二の熱交換器に供給する抽気排ガス系統を有することを特徴とするガスタービンシステム。
7. 請求項１−６に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記第一の熱交換器で加熱され前記改質器に供給される前の重質油に、前記第一の熱交換器で熱交換される前の前記圧縮空気を供給する系統を有することを特徴とするガスタービンシステム。
8. 請求項３に記載のガスタービンシステムにおいて、
   前記助燃バーナが触媒式助燃バーナであることを特徴とするガスタービンシステム。
9. 圧縮機で圧縮した圧縮空気と、
   水と重質油を高温高圧状態で混合して軽質化して得た改質燃料とを混合燃焼させ、燃焼ガスでタービンを回転駆動するガスタービンシステムの運転方法において、
   前記圧縮機で圧縮した空気の一部で、改質前の水と重質油の少なくとも一方を加熱す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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