JP2012082702A

JP2012082702A - 高湿分利用ガスタービンシステム

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Publication number: JP2012082702A
Application number: JP2010227339A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Hirota; 広田　　守; Hidefumi Araki; 秀文荒木; Moriaki Tsukamoto; 守昭塚本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: JP5422531B2

Abstract

【課題】高湿分空気を利用してガスタービンを運転するガスタービンシステムにおいて、水系統を構成する配管に低コストの材料を適用する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、増湿塔からの空気を燃焼用空気として駆動されるガスタービンとから成る高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンシステムの燃焼排ガスあるいは圧縮空気の保有する熱量を回収して利用する第１の水系統、ガスタービン燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、回収水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、不純物除去手段からの回収水の循環系統を備え循環水を用いて圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔から構成される第２の水系統、第１の水系統と第２の水系統の間に設けられた熱交換手段、第１の水系統を循環する循環水の腐食電位を測定し、腐食抑制剤を注入する腐食抑制剤制御部を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼空気に利用してガスタービンを運転し発電するガスタービンシステムに係り、特に燃焼後の排ガスから水分を回収して再度高湿分空気として利用するガスタービンシステムに関する。

ガスタービンシステムを運転するにあたり、その燃焼用圧縮空気に水分を添加し、燃焼用圧縮空気の体積膨張を図ることによって、ガスタービンシステムの発電効率を向上させることが広く知られている。しかし、ここで用いられる水分は高純度水である。ガスタービンシステムを長時間連続運転することを想定すると、この間に使用する大量の高純度水を予め確保しておく必要があるが、そのために要する設備、費用は無視できないものがある。そこで、燃焼後の排ガスからガスタービンに添加した水分を回収して、再度高湿分の燃焼用圧縮空気として使用する高湿分利用ガスタービンシステムが考えられている。

特許文献１には、ガスタービンの燃焼排ガスを利用した排熱回収ボイラで水蒸気を発生させ、その水蒸気をガスタービン燃焼器に添加して高湿分の燃焼用圧縮空気を得、ガスタービンの出力を増大するガスタービンシステムが開示されている。また、このシステムでは排熱回収ボイラの排ガスから水分を回収する装置が設置されており、排ガスから回収した回収水を水処理装置で浄化処理し、排熱回収ボイラの給水として再度利用することが提案されている。特許文献１において、排ガスから回収した水を直接給水として利用することはできないので、これを浄化するための水処理装置としては、脱気器、イオン交換装置を備えている。

特許第４０９９９４４号

水分を加湿した空気を利用してガスタービンを運転するガスタービンシステムでは、燃焼排ガスの熱エネルギを回収する第１の水系統と、燃焼排ガスから水分を回収して再びガスタービンに供給する第２の水系統を有する。

ところで、燃焼排ガスから回収された回収水には燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘ，硫黄酸化物ＳＯｘ，炭酸ガスＣＯ_２，酸素Ｏ_２が溶解し、回収水中には硝酸イオン、炭酸イオン等の不純物が多く含まれる。このため、回収水をガスタービンに供給する前に脱炭酸塔，イオン交換樹脂等の水浄化装置を設置して水中のガス及び不純物除去することが特許文献１に記載されている。しかし、ガスタービンに高湿分空気を与えるには、浄化された回収水と圧縮空気を増湿塔で接触させる必要がある。このため、再び増湿塔内で圧縮空気と浄化された水が混合され、再度空気中の窒素酸化物ＮＯｘ，硫黄酸化物ＳＯｘ，炭酸ガスＣＯ_２，酸素Ｏ_２が溶解する。

このことは、燃焼排ガスから水分を回収して供給する前記第２の水系統ならびに、ガスタービン圧縮空気に水分を混入する増湿系統の構成材料は、燃焼排ガスや空気が溶解した水に対して十分な耐食性をもつ材料を使う必要があることを意味する。

このため、これらの部位に対してはオーステナイト系ステンレス鋼が適用されているが、ステンレス鋼は高濃度のクロムＣｒ，ニッケルＮｉを添加しているために価格が高く、高湿分利用ガスタービンシステムの価格を大きく上昇させる問題がある。さらに、オーステナイト系ステンレス鋼は応力腐食割れが発生しやすく、その懸念も存在する。

水に接する金属の腐食を抑制する方法として、酸素の除去，不純物の除去，腐食抑制剤の添加が考えられるが、このうち酸素の除去という観点からみると、システムの水回路を流れる水はガスタービンの燃焼排ガス或いは圧縮空気と直接に接し、最終的にシステムの水回路を流れる水がガスタービンの圧縮空気に含まれるため、酸素の除去で対策することは不可能である。

つぎに腐食抑制剤添加の観点からみると、再生熱交換器に増湿塔内の水が運ばれ蒸発するため、腐食抑制剤は揮発性の物質に限定されるが、揮発性で炭素鋼などの耐食性の低い材料に有効な腐食抑制剤は無く、仮に存在したとしても多量の腐食抑制剤が必要となり非現実的である。

したがって、現状のシステムでは不純物の除去策以外は適用することができないが、不純物除去策による効果では炭素鋼などの耐食性の低い材料に対しては腐食抑制効果が期待できない。

また、増湿塔内で圧縮空気に増湿する場合は多量の水を増湿塔の上部から噴霧する必要があるが、噴霧する水はエコノマイザで熱交換した後の水を噴霧するため、本来必要な噴霧量と熱交換に必要な循環水量は異なり、循環水の流量が多くなるほど駆動力のロスは多くなる。

本発明の目的は、高湿分空気を利用してガスタービンを運転するガスタービンシステムにおいて、水系統を構成する配管に低コストの材料を適用することのできるガスタービンシステムを提供することにある。

空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、増湿塔からの空気を燃焼用空気として駆動されるガスタービンとから成る高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンシステムの燃焼排ガスあるいは圧縮空気の保有する熱量を回収して利用する第１の水系統、ガスタービン燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、回収水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、不純物除去手段からの回収水の循環系統を備え循環水を用いて圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔から構成される第２の水系統、第１の水系統と第２の水系統の間に設けられた熱交換手段、第１の水系統を循環する循環水の腐食電位を測定し、腐食抑制剤を注入する腐食抑制剤制御部を設けた。

また、腐食抑制剤としてモリブデン酸を用いる。

また、腐食抑制剤制御部は、第１の水系統の熱交換手段の後流側に設けられた循環水補給水タンクと、熱交換手段と循環水補給水タンクの間に設けた保圧弁を含み、保圧弁により循環水を高温水に維持する
また、熱交換手段は、増湿塔の循環系統内に設置される。

また、第１の水系統に設けられ、系統内の流量を制御する第１の流量制御手段と、第２の水系統に設けられ、系統内の流量を制御する第２の流量制御手段とを備え、第１の流量制御手段により熱回収する循環水量を調整し、第２の流量調整手段により増湿塔で噴霧する水量を個別に制御する。

また、第１の水系統内の第１の流量制御手段は、系統内給水温度を飽和蒸気圧温度以下とすべく流量制御する。

また、ガスタービンの起動停止時に、第２の水系統の増湿塔の循環系統を閉鎖し、水回収装置と熱交換器の間で循環させる。

本発明によりエコノマイザ及び空気冷却器の循環水は空気と直接に接することはなく、空気中のＮＯｘ，ＳＯｘ，ＣＯ_２，Ｏ_２ガス或いは塩化物等が溶解し、増湿塔内には硝酸イオン、炭酸イオン、塩化物イオンの不純物が含まれることは完全に排除することが可能となる。このことにより、第１の水系統を構成する配管に低コストの材料を使用することができる。

本発明の基本構成を示すガスタービン設備の系統図である。起動停止時の運転に適した本発明のガスタービン設備の系統図である。本発明のガスタービン設備に適用される循環水補給水タンクの代案の系統図である。本発明のガスタービン設備に適用される循環水補給水タンクの代案の系統図である。モリブデン酸濃度と炭素鋼の腐食電位の関係を示す図である。モリブデン酸濃度との炭素鋼の腐食速度の関係を示す図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明にかかる高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統図を示す。図１など本発明を説明する図面では、細線が気体の回路を示し、太線が水の回路を示すものとする。

まず、ガスタービンシステムは圧縮機１、ガスタービン３、フィルタ１、燃焼器４を基本構成としており、本発明の高湿分利用ガスタービンシステムでは更に増湿塔７を基本構成として追加する。なお、高湿分空気利用ガスタービンシステムとしては、他にも多くの機器を使用するがこれらについてはそのつど順次説明を試みる。

ガスタービンシステムにおいては、空気が配管７５から空気浄化用のフィルタ１を通して配管７４から圧縮機２に送られ圧縮される。圧縮空気は圧縮過程で高温化しているが、後段の増湿塔７での増湿作用を高効率で行うには低温化していることが望ましいことから、配管７２に設けた空気冷却器１０において水との熱交換により低温化を図っている。

増湿塔７は内部中央に充填剤８、上部に水の噴霧ノズル３５、下部に水貯留部を備えている。空気冷却器１０からの圧縮空気は増湿塔７で充填材８を通過しながら増湿される。増湿後の圧縮空気は配管７１から再生熱交換器６に送られて加熱され、配管７３から燃焼器４に送られ燃料Ｆと混合して燃焼させてタービン３を回転させる。高湿分空気利用ガスタービンシステムは基本的には以上のように構成されている。

次に燃焼排ガス５の利用について説明する。高温で水分を含んだ燃焼排ガス５は、まだ十分な熱量を保有しているため再生熱交換器６、エコノマイザ１１で順次熱交換により保有熱量を給水等に回収しながら冷却され、最後に水回収装置１２で水分回収し、残りのガス成分はそのまま煙突１３から大気に放出される。

次に、燃焼排ガスから回収された回収水を利用する水系統（前記の第２の水系統）について説明する。水回収装置１２は燃焼排ガス５に噴霧ノズル３４から冷却器１４で冷却された回収水１００を噴霧して燃焼排ガス５から水分を回収する。ここで、水回収の基本原理は燃焼排ガスの温度を急速に低下させることにより水分を凝縮させ、噴霧水と結合することで水分を回収するというものであるが、上記の設備以外にも水回収を行いうることはいうまでもない。

回収水１００はポンプ４０により配管６８から逆止弁９０、バルブ４５を経由してカチオン樹脂塔３１に通水しイオン交換してｐＨを低くし、脱炭酸塔３２で炭酸ガスを除去し、アニオン樹脂塔３３に通水して純水にする。純水となった回収水１００を配管６７から増湿塔７へ送り増湿塔循環水１０１に補給する。増湿塔循環水１０１はポンプ４１により熱交換器９で加熱して配管７０から噴霧ノズル３５へ送り増湿塔内で噴霧し圧縮空気を増湿する。

なお、増湿塔７に配管６７を経由して供給される水は回収水１００の浄化水であり、窒素酸化物ＮＯｘ等の不純物は除外されているはずであるが、長年の使用により増湿塔水１０１に不純物が濃縮した場合は、バルブ４６を開きポンプ４１から送られた水の一部を配管６６から配管６７に合流させ、配管６７，６６による循環系統を構成することにより水を浄化する。

ここで、逆止弁９０は、この場合に配管６８側に循環水が逆流することを阻止すべく設置される。また、バルブ４６は、図示せぬ装置により増湿塔水１０１の電気伝導度を測定し給水の汚れを検知したときに開放される。ポンプ４１は、当該システムが基底負荷運転を行っている間は、循環流量一定とすべく制御される。また、水回収水１００の保有量が低下した場合は、バルブ５１を開き配管７６から補給水を補給する。

以上のことから明らかなように、燃焼排ガスからの回収水を扱う第２の水系統は、水回収装置１２、ポンプ４０、バルブ４５、カチオン樹脂塔３１、脱炭酸塔３２、アニオン樹脂塔３３、増湿塔７、ポンプ４１等で構成される。

次に燃焼排ガス等が保有する熱量の熱回収を目的とする第１の水系統について説明する。熱交換器９に熱を供給する側の循環水は２系統に分岐して熱を回収する。一方は配管６２を通りポンプ４２で加圧されバルブ５０で流量を調節しながら配管６０からエコノマイザ１１で加熱され配管６１から熱交換器９に戻る。もう一方は、配管６２を通りポンプ４２で加圧されバルブ４９で流量を調節しながら配管６４から空気冷却器１０に入り加熱され、配管６５を通り配管６１に合流し熱交換器９に戻る。

エコノマイザ１１及び空気冷却器１０を循環する水は、それぞれ燃焼排ガス、圧縮空気と熱交換を行ってその保有熱量を吸収する結果として、常温から２００℃程度まで上昇し体積も温度とともに膨張する。この体積変化に対応するため、循環水の圧力がある設定値よりも上昇した場合に配管６３に接続されたスプリング付逆支弁５９により圧力を循環水補給タンク３０内の循環水補給水１０２へ放出して圧力を制御する。逆に、温度低下により体積が縮小して負圧となる場合は、配管６３接続された逆支弁５８により不足分を循環水補給水タンク３０内の循環水補給水１０２を供給する。またバルブ４９，５０の開度は、この第２の水系統内の給水を飽和蒸気圧温度よりも低くするように水量を確保すべく制御される。

このように第２の水系統は空気冷却器１０、エコノマイザ１１、ポンプ４２、バルブ４９、５０等から構成される。

以上説明したことから明らかなように、不純物混入の可能性のある第２の水系統と、熱回収を目的とする第１の水系統とは直接交わることがなく、唯一熱交換器９にて流体的には隔離された状態のまま熱交換のみを行う。

このように、本発明では熱交換器９を設置し、第１の水系統と第２の水系統の給水は熱交換器でのみ熱交換を行うようにしたので、エコノマイザ１１或いは空気冷却１０に流れる循環水は空気と接することが無い。このため、第１の水系統を構成する配管として、安価な低耐食材の炭素鋼あるいは低合金鋼を使用することが可能となる。

また、本発明によれば、第１の水系統に系統内の流量を制御する第１の流量制御手段（バルブ４９，５０）を備え、第２の水系統に系統内の流量を制御する第２の流量制御手段（ポンプ４１）を備え、第１の流量制御手段（バルブ４９，５０）により熱回収する循環水量を調整し、第２の流量調整手段（ポンプ４１）により増湿塔で噴霧する水量を個別に制御することができるので、従来よりも効率的に増湿及び熱回収をすることが可能となる。

さらに本発明によれば、第１の水系統の循環水の腐食性は著しく改善されるが、炭素鋼などの耐食性の低い材料に対しては腐食を完全に抑制する効果は期待できない。そのために、循環水に腐食抑制剤を添加することにより、炭素鋼などの耐食性の低い材料に対しても腐食を完全に抑制することができる。また、材料の変更により従来のオーステナイトステンレス鋼で懸念されている応力腐食割れの発生を回避することができる。

本発明にかかるガスタービンシステムの増湿運転は、１００％負荷運転時には適しているが、ガスタービン燃焼の不安定な起動停止運転時等に、増湿運転を行うことは不安定度を助長する結果となる。このため、ガスタービン燃焼の不安定な起動停止運転時等には、むしろ積極的にこの運転を取りやめる必要がある。

図２の実施例は、図１の実施例に配管７７、バルブ５２、５３を追加した点で相違しており、この相違点により増湿無し運転を実現するガスタービン系統を示す。増湿無し運転の場合は、バルブ４５，４７，４８，５２を閉じ、バルブ４６，５３を開き、ポンプ４１を停止して増湿塔７での水の噴霧を止めて増湿を停止する。空気冷却器１０及びエコノマイザ１１への循環水は通常運転時と同様に流動させ熱交換器９で熱を回収する。熱交換器９で回収された熱は、回収水１００をポンプ４０で加圧し配管６８，６６を通り熱交換器９に送り冷却する。熱交換器９で熱交換後、配管７７から熱交換器１４に入り冷却後、配管６９を通り水回収装置に戻る。

図３は実施例１と異なる循環水補給タンク３０の設置方法の代案を示す。熱交換器９からでた循環水は配管６２から循環水タンク３０に一旦貯められ、循環水タンク３０の下部からポンプ４２で空気冷却器１０或いはエコノマイザ１１へ送られる。循環水タンク３０には水質監視装置１１０を設置し、常時水質の監視をすることができる。水質監視装置１１０では腐食抑制剤濃度やｐＨ或いは電気伝導度により循環水の水質を監視することができ、腐食抑制剤などが不足した場合は、水質監視装置１１０に接続されている薬液注入制御装置１１１がポンプ４３を稼動させる信号を出して、薬注タンク３６内にある腐食抑制剤溶液１０３を配管７８からポンプ４３により循環水タンク３０に注入する。

図４は、実施例１、実施例３と異なる循環水補給タンク３０の設置方法の代案を示す。熱交換器９からでた循環水は、配管６２に設置された保圧弁１２０により、圧力を一定に制御される。この結果、循環水を常に高温水とすることでスケールの析出を抑制し、さらに熱交換器内の循環水を水の状態にして効率の低下を防ぐことができる。保圧弁１２０からの循環水は、循環水タンク３０に一旦貯められ、循環水タンク３０の下部からポンプ４２で空気冷却器１０或いはエコノマイザ１１へ送られる。

実施例４においては、循環水タンク３０に電位測定装置１２３と参照電極１２１と作用電極１２２を設置して、参照電極１２１の腐食電位を常時測定する。つまり、参照電極１２１としては、銀あるいは塩化銀の電極とすることで循環水の水質に影響されない基準電位の電極とする。また、作用電極１２２としては、炭素鋼、白金、循環水タンク、その他の金属を用いることができ、こちらは循環水の水質に影響されて電位が変化する。このことから、電位測定装置１２３としては、参照電極１２１に対する作用電極１２２の電位を計測して、これを腐食電位とすることができる。

図５は、モリブデン酸濃度と炭素鋼の腐食電位の関係を示す。この特性によれば、横軸のモリブデン酸濃度が低下すると、縦軸の腐食電位が低下する関係にあることがわかる。

さらに図６は、横軸のモリブデン酸濃度と縦軸の炭素鋼の腐食速度の関係を示す。モリブデン酸濃度が０．０１％以上では、腐食速度が０．０１ｍｍ／年とほとんど腐食しないのに対して、モリブデン酸濃度が０．０１％以下になると腐食速度が急激に速くなることがわかる。

以上の図５、図６の関係からは、モリブデン酸濃度が例えば０．０１％以上になるような腐食電位に制御することで、配管の腐食を抑制可能にすることができることが理解できる。

なお、図５、図６は炭素鋼の場合の腐食電位、腐食速度を示している。同様の傾向は他の材質の金属でも存在するが、腐食電位が急激に変化するときのモリブデン酸濃度は、それぞれの材質により臨界数値が相違する。また、腐食抑制剤としてはモリブデン酸以外のものもあるが、もっとも顕著に変化するのがモリブデン酸であった。

以上の解析結果に基づき、本発明においては、腐食抑制剤であるモリブデン酸の濃度が低下すると腐食電位が低下するという関係を利用し、電位測定装置１２３により腐食電位が低下したことを検出した場合は、水質監視装置１１０を介して、これに接続されている薬液注入制御装置１１１が起動し、ポンプ４３を稼動させる信号を出して、薬注タンク３６内にあるモリブデン酸溶液１０３を配管７８からポンプ４３により循環水タンク３０に注入する。本発明の上記構成により、腐食抑制剤制御部を構成する。

高湿分空気利用ガスタービンに利用可能である。

１…フィルタ
２…圧縮機
３…タービン
４…燃焼器
５…排気ガス
６…再生熱交換器
７…増湿塔
８…充填材
９…熱交換器
１０…空気冷却器
１１…エコノマイザ
１２…水回収装置
１３…煙突
１４…熱交換器
３０…循環水補給水タンク
３１…カチオン樹脂塔
３２…脱炭酸塔
３３…アニオン樹脂塔
３４，３５…噴霧ノズル
３６…薬液タンク
４０〜４３…ポンプ
４５〜５３…バルブ
５８…逆止弁
５９…スプリング付逆止弁
６０〜７８…配管
１００…回収水
１０１…増湿塔水
１０２…循環水補給水
１０３…腐食抑制剤溶液
１１０…水質監視装置
１１１…薬液注入制御装置
１２０…保圧弁
１２１…参照電極
１２２…作用電極
１２３…電位測定装置

Claims

空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、増湿塔からの空気を燃焼用空気として駆動されるガスタービンとから成る高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
ガスタービンシステムの燃焼排ガスあるいは圧縮空気の保有する熱量を回収して利用する第１の水系統、
ガスタービン燃焼排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置と、回収水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、該不純物除去手段からの回収水の循環系統を備え循環水を用いて圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔から構成される第２の水系統、
前記第１の水系統と前記第２の水系統の間に設けられた熱交換手段、
前記第１の水系統を循環する循環水の腐食電位を測定し、腐食抑制剤を注入する腐食抑制剤制御部を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項１の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
前記腐食抑制剤としてモリブデン酸を用いることを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項１の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
前記腐食抑制剤制御部は、前記第１の水系統の前記熱交換手段の後流側に設けられた循環水補給水タンクと、熱交換手段と循環水補給水タンクの間に設けた保圧弁を含み、保圧弁により循環水を高温水に維持することを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項３の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
熱交換手段は、増湿塔の循環系統内に設置されることを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項３の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
第１の水系統に設けられ、系統内の流量を制御する第１の流量制御手段と、第２の水系統に設けられ、系統内の流量を制御する第２の流量制御手段とを備え、第１の流量制御手段により熱回収する循環水量を調整し、第２の流量調整手段により増湿塔で噴霧する水量を個別に制御することを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項３の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
第１の水系統内の第１の流量制御手段は、系統内給水温度を飽和蒸気圧温度以下とすべく流量制御することを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
請求項３の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
ガスタービンの起動停止時に、第２の水系統の増湿塔の循環系統を閉鎖し、水回収装置と熱交換器の間で循環させることを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。