JP2013119818A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスカロリーが変動する高炉ガスを高いガス混合率で混合することにより、そのガスカロリーを容易に一定にすることができるガスタービン設備を提供する。
【解決手段】高炉１１から排出される高炉ガスＧ１を燃料ガスＧ２として使用するガスタービン設備１において、ガスカロリーが変動する高炉ガスＧ１を取り込んで混合した後、この混合した高炉ガスＧ１を燃料ガスＧ２として外部に排出するガス混合タンク１３と、高炉１１から排出される高炉ガスＧ１をガス混合タンク１３内に導入するガス導入分岐管３１，３２と、これらガス導入分岐管３１，３２から供給された高炉ガスＧ１をガス噴射孔４１ａ，４２ａからガス混合タンク１３内に噴射するガス噴射ノズル４１，４２とを備え、ガス噴射ノズル４１，４２を、ガス噴射孔４１ａ，４２ａ側に向かうに従って、互いが漸次離間するように傾斜させて配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高炉から排出される高炉ガスを燃料ガスとして使用するガスタービン設備に関する。

近年、製鉄所の高炉から排出される高炉ガスを燃料ガスとして使用するガスタービン設備が、種々提供されている。このようなガスタービン設備では、高炉の操業状態に応じて、排出される高炉ガスのガスカロリーが変動し、これに伴って、ガスタービンの発電出力も変動してしまう。特に、高炉ガスのガスカロリーが大きく変動する場合には、燃焼器において、不安定燃焼や失火に至るおそれがある。

そこで、従来のガスタービン設備においては、ガスタービンの運転を安定的に行うことを目的として、当該ガスタービンの入口側に、ガス混合タンクを設けるようにしている。このガス混合タンクでは、ガスカロリーが変動する高炉ガスを取り込んで混合することにより、燃料ガスとして排出する高炉ガスのガスカロリーを一定にするようになっている。そして、このような、従来のガスタービン設備は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００６−２３３９２０号公報

上記従来のガスタービン設備においては、高炉ガスをガス混合タンク内に噴射するためのガス噴射ノズルを複数備えており、これらガス噴射ノズルをタンク内側面に沿うように設けている。これにより、噴射された高炉ガスをタンク内側面の周方向に流して、高炉ガスの混合促進を図るようにしている。

ここで、ガス噴射ノズルから噴射された高炉ガスは、その噴流における最も外側の部分によって、ガス混合タンク内に貯溜される高炉ガスを巻き込み、これと混合することになる。即ち、ガス混合タンクにおいては、噴射された高炉ガスがガス混合タンク内に貯溜される高炉ガスと接触して巻き込むことのできる噴流表面積が増加するに従って、高炉ガスのガス混合率が高くなり、タンク出口におけるガスカロリーを一定にすることができる。

しかしながら、従来のガスタービン設備のような、ガス噴射ノズルの取付構造では、ガス噴射ノズルから噴射された高炉ガスが、直ちに、タンク内側面と干渉してしまうため、その噴流表面積は減少してしまう。これにより、従来のガスタービン設備においては、ガス混合タンク内に取り込んだ高炉ガスを、十分に混合できないおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、ガスカロリーが変動する高炉ガスを高いガス混合率で混合することにより、そのガスカロリーを容易に一定にすることができるガスタービン設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るガスタービン設備は、
高炉から排出される高炉ガスを燃料ガスとして使用するガスタービン設備において、
ガスカロリーが変動する前記高炉ガスを取り込んで混合した後、この混合した前記高炉ガスを前記燃料ガスとして外部に排出するガス混合タンクと、
前記ガス混合タンクに接続され、前記高炉から排出される前記高炉ガスを前記ガス混合タンク内に導入する複数のガス導入管と、
前記ガス導入管の各ガス流れ方向下流側端部に設けられ、前記高炉ガスを前記ガス混合タンク内に噴射するガス噴射孔を有するガス噴射ノズルとを備え、
少なくとも２つの前記ガス噴射ノズルは、前記ガス噴射孔側に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るガスタービン設備は、
前記ガス噴射孔側に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置される前記ガス噴射ノズルのうち、少なくとも１つの前記ガス噴射ノズル間の軸交差角度は、前記ガス噴射孔から噴射される前記高炉ガスの噴流角度以上の角度に設定される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るガスタービン設備は、
前記ガス混合タンク内で混合された前記高炉ガスを、前記燃料ガスとして、前記ガス混合タンクの外部に排出するガス排出管と、
前記ガス排出管のガス流れ方向上流側端部に形成され、前記ガス混合タンク内に延長される延長部とを備え、
前記ガス噴射ノズルは、前記ガス噴射孔が、前記ガス混合タンクにおける内側面と上面とが交差する内側角部と対向するように、鉛直方向に所定の鉛直角度で傾斜して配置される
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るガスタービン設備によれば、複数のガス噴射ノズルを、ガス噴射孔側に向かうに従って、互いが漸次離間するように傾斜させて配置することにより、ガス噴射孔からガス混合タンク内に噴射された高炉ガスの噴流表面積を増加させることができる。これにより、ガス混合タンク内において、ガスカロリーが変動する高炉ガスを高いガス混合率で混合することができるので、その混合した高炉ガスのガスカロリーを容易に一定にすることができる。

本発明の一実施例に係るガスタービン設備の概略構成図である。 （ａ）はガス混合タンクの縦断面図、（ｂ）はガス混合タンクの横断面図である。 ガス噴射ノズル間の軸交差角度とガス混合タンク内のガス混合率との関係を示した図である。 ガス噴射ノズルの取付状態を示した図である。

以下、本発明の一実施例に係るガスタービン設備について、図面を用いて詳細に説明する。

図１に示したガスタービン設備１は、高炉１１から排出される高炉ガスＧ１を使用して、発電を行うものであって、ガス混合タンク１３、ガス圧縮機１５、空気圧縮機１６、燃焼器１７、ガスタービン１８、及び、発電機１９を備えている。

ガス混合タンク１３は、高炉１１から排出される高炉ガスＧ１を取り込んで混合した後、この混合した高炉ガスＧ１を燃料ガスＧ２としてガス圧縮機１５に供給するものである。これにより、高炉１１とガス混合タンク１３とは、ガス導入管１２により接続されており、ガス混合タンク１３とガス圧縮機１５とは、ガス排出管１４により接続されている。

また、ガス圧縮機１５、空気圧縮機１６、ガスタービン１８、及び、発電機１９は、同軸となるように設けられている。ガス圧縮機１５は、ガス混合タンク１３からガス排出管１４を介して供給された燃料ガスＧ２を圧縮するものであるのに対して、空気圧縮機１６は、外部から供給された空気を圧縮するものである。そして、燃焼器１７は、ガス圧縮機１５により圧縮された燃料ガスＧ２と、空気圧縮機１６により圧縮された空気とを使用して、燃焼動作を行うものである。

更に、ガスタービン１８は、燃焼器１７の燃焼動作によって生成された燃焼ガスが供給されることにより、回転するものであって、発電機１９は、そのガスタービン１８の回転エネルギを電気エネルギに変換するものである。

次に、ガス混合タンク１３とガス導入管１２及びガス排出管１４との接続構造について、図２（ａ），（ｂ）を用いて詳細に説明する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、ガス混合タンク１３は、円筒状に形成されており、その中空内部は、内側面５１と、この内側面５１の上部に配置される上面５２と、その内側面５１の下部に配置される底面５３とによって形成されている。なお、ガス混合タンク１３は、円筒状である必要はなく、中空状であれば、他の形状でも構わない。

ここで、ガス導入管１２は、そのガス流れ方向下流側端部において、複数のガス導入分岐管（ガス導入管）３１，３２に分岐されている。そして、ガス混合タンク１３の下部には、ガス導入分岐管３１，３２のガス流れ方向下流側端部が、上述した内側面５１の径方向外側から貫通している。このように、ガス混合タンク１３の下側内部に配置されたガス導入分岐管３１，３２のガス流れ方向下流側端部には、ガス噴射ノズル４１，４２が設けられており、これらガス噴射ノズル４１，４２のガス流れ方向下流側端部には、ガス噴射孔４１ａ，４２ａが形成されている。

そして、ガス噴射ノズル４１，４２は、ガス噴射孔４１ａ，４２ａ側（ガス流れ方向下流側）に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置されている。即ち、ガス噴射ノズル４１，４２は、それらの軸心４１ｂ，４２ｂ同士が交差するように設けられており、このとき、ガス噴射ノズル４１の軸心４１ｂとガス噴射ノズル４２の軸心４２ｂとの間の軸交差角度は、所定の角度αに設定されている。

なお、ガス噴射ノズル４１，４２内に供給された高炉ガスＧ１は、そのガス噴射孔４１ａ，４２ａから、噴流角度（ガス噴射孔４１ａ，４２ａから噴射される高炉ガスＧ１の拡がり角度）θで噴射することになる。そして、上述したガス噴射ノズル４１，４２間の軸交差角度αは、ガス噴射孔４１ａ，４２ａから噴射される高炉ガスＧ１の噴流角度θ以上の角度に設定されることが好ましい。

更に、ガス噴射ノズル４１，４２は、鉛直方向上側に向けても傾斜して配置されている。即ち、ガス噴射ノズル４１，４２は、水平面（例えば、ガス混合タンク１３の底面５３）に対する鉛直角度（仰角）が所定の角度βとなるように設けられており、このとき、鉛直角度βは、軸心４１ｂ，４２ｂが、ガス混合タンク１３における内側面５１と上面５２とが交差する内側角部５４を通るような角度に設定されている。

これにより、ガス噴射ノズル４１，４２のガス噴射孔４１ａ，４２ａは、内側角部５４と対向することになるため、ガス噴射ノズル４１，４２内に供給された高炉ガスＧ１は、そのガス噴射孔４１ａ，４２ａから内側角部５４に向けて、鉛直角度βで噴射することになる。

また、ガス混合タンク１３の下部には、ガス排出管１４のガス流れ方向上流側端部が、内側面５１の径方向外側から貫通している。このように、ガス混合タンク１３の下側内部に配置されたガス排出管１４のガス流れ方向上流側端部には、延長部１４ａが、ガス噴射ノズル４１，４２間に向けて延長するように形成されており、この延長部１４ａのガス流れ方向上流側端部には、ガス排出孔１４ｂが形成されている。

従って、高炉１１の操業が行われるときに、ガスタービン設備１の運転を開始すると、先ず、高炉１１から排出される高炉ガスＧ１は、そのガスカロリーが高炉１１の操業状態に応じて随時変動した状態で、ガス導入管１２内に導入される。

次いで、ガス導入管１２内に導入された高炉ガスＧ１は、そのガス流れ方向下流側において、ガス導入分岐管３１，３２によって分岐された後、そのガス噴射ノズル４１，４２のガス噴射孔４１ａ，４２ａから、ガス混合タンク１３内に噴射される。

このとき、ガス噴射ノズル４１，４２間の軸交差角度αを、高炉ガスＧ１の噴流角度θ以上の角度に設定しているため、ガス噴射孔４１ａ，４２ａから噴射された高炉ガスＧ１の噴流は、ガス混合タンク１３の内側面５１、上面５２、及び、底面５３に衝突するまで、互いに干渉することがなくなる。これにより、高炉ガスＧ１の噴流における最も外側の部分、即ち、高炉ガスＧ１の噴流表面積が増加することなる。

ここで、高炉ガスＧ１の噴流表面は、ガス混合タンク１３内に貯溜される高炉ガスＧ１を巻き込むために作用する部分となっている。従って、上述したように、高炉ガスＧ１の噴流表面積が増加すると、ガス混合タンク１３内における高炉ガスＧ１のガス混合率が高くなり、混合した高炉ガスＧ１のガスカロリーが一定となる。

また、ガス噴射ノズル４１，４２の鉛直角度βを、内側角部５４の位置に応じて設定すると共に、ガス排出管１４の延長部１４を、ガス混合タンク１３内に向けて延長することにより、高炉ガスＧ１の噴射から排気までの距離及び時間が長くなる。これにより、高炉ガスＧ１の噴流表面積が更に増加するため、ガス混合タンク１３内における高炉ガスＧ１のガス混合率が更に高くなり、混合した高炉ガスＧ１のガスカロリーがより一定となる。

そして、上述したように、ガス混合タンク１３内において、高いガス混合率で混合された高炉ガスＧ１は、燃料ガスＧ２として、ガス排出管１４を介して、ガス圧縮機１５に供給される。

次いで、ガス圧縮機１５は、ガス排出管１４から取り込んだ燃料ガスＧ２を、高温高圧に圧縮して、燃焼器１７に供給する一方、空気圧縮機１６は、外部から取り込んだ空気を、高温高圧に圧縮して燃焼器１７に供給する。

そして、燃焼器１７においては、供給された燃料ガスＧ２が、同じく供給された空気と共に燃焼することにより、燃焼ガスが生成された後、この燃焼ガスは、ガスタービン１８に供給される。

次いで、燃焼ガスがガスタービン１８に供給されると、当該ガスタービン１８が回転することになり、更に、このガスタービン１８の回転に伴って、ガス圧縮機１５、空気圧縮機１６、ガスタービン１８、及び、発電機１９も回転する。

そして、回転したガス圧縮機１５においては、取り込んだ燃料ガスＧ２を、高温高圧に圧縮する一方、回転した空気圧縮機１６においては、外部から取り込んだ空気を、高温高圧に圧縮する。また、これと同時に、回転した発電機１９によって、発電動作が行われる。

次に、ガス噴射ノズル４１，４２間の軸交差角度αとガス混合タンク１３内における高炉ガスＧ１のガス混合率との関係について、図３を用いて説明する。

先ず、一般的に、ガス噴射ノズル４１，４２のガス噴射孔４１ａ，４２ａから噴射される高炉ガスＧ１の噴流角度θは、１５°程度であることが知られているため、ここでは、その噴流角度θを１５°とする。

そして、このように、高炉ガスＧ１の噴流角度θを、例えば、１５°に設定した状態で、ガス噴射ノズル４１，４２間の軸交差角度αを、０°から、θを十分に超える程度の角度まで、徐々に変化させ、このときのガス混合タンク１３内における高炉ガスＧ１（燃料ガスＧ２）のガス混合率の変化を確認した。この試験結果については、図３に示した通りとなっている。

よって、図３からも明らかなように、軸交差角度αを０°よりも大きな角度に設定することにより、当該軸交差角度αが０°よりも大きい角度で設定された場合のガス混合率は、軸交差角度αが０°に設定された場合のガス混合率よりも大きくなることが解る。そして、ガス混合率は、軸交差角度αが０°からθまでの間においては、一定の傾きで増加し、これに伴って、混合した高炉ガスＧ１のガスカロリーも、その変動量が小さくなる。更に、ガス混合率は、軸交差角度αがθ以上の角度となると、一定となり、これに伴って、混合した高炉ガスＧ１のガスカロリーも一定となる。即ち、軸交差角度αを、噴流角度θ以上の角度に設定することにより、混合した高炉ガスＧ１のガスカロリーを一定にすることが容易となる。

なお、上述した実施形態では、ガス混合タンク１３内に高炉ガスＧ１を導入する構成として、２本のガス導入分岐管３１，３２に、ガス噴射ノズル４１，４２をそれぞれ設けるようにしているが、３本以上のガス導入分岐管に、ガス噴射ノズルをそれぞれ設けるようにしても構わない。

例えば、図４に示すように、３本のガス導入分岐管３１〜３３に、ガス噴射ノズル４１〜４３をそれぞれ設ける場合でも、当該ガス噴射ノズル４１〜４３のうちの少なくとも２つを、ガス噴射孔４１ａ〜４３ａ側に向かうに従って、互いが漸次離間するように傾斜させて配置すれば良い。好ましくは、ガス噴射ノズル４１〜４３の各軸交差角度αのうちの少なくとも１つの軸交差角度αを、ガス噴射孔４１ａ〜４３ａから噴射される高炉ガスＧ１の噴流角度θ以上の角度に設定すれば良い。これにより、ガス噴射孔４１ａ〜４３ａから噴射された高炉ガスＧ１の噴流は、互いに干渉することがなくなるため、それらの噴流表面積を増加させることができる。

更に、図２及び図４における軸心４１ｂ，４２ｂが、必ずしも同一平面上に配置される必要はなく、軸心４１ｂ，４２ｂが、ガス噴射孔４１ａ，４２ａ側に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置されていれば良く、これら軸心４１ｂ，４２ｂが、互いに捩れの関係となるように配置されても構わない。また、図４における、軸心４２ｂと軸心４３ｂとの間の位置関係、及び、軸心４３ｂと軸心４１ｂとの間の位置関係についても、同様である。

従って、本発明に係るガスタービン設備１によれば、ガス噴射ノズル４１，４２を、ガス噴射孔４１ａ，４２ａ側に向かうに従って、互いが漸次離間するように傾斜させて配置して、この際、好ましくは、軸交差角度αを噴流角度θ以上の角度に設定することにより、ガス噴射孔４１ａ，４２ａから噴射された高炉ガスＧ１の噴流表面積を増加させることができる。これにより、ガス混合タンク１３内において、高炉ガスＧ１を高いガス混合率で混合させることができるので、その混合した高炉ガスＧ１（燃料ガスＧ２）のガスカロリーを容易に一定にすることができる。この結果、高炉１１から排出される高炉ガス１１のガスカロリーが変動しても、ガスタービン設備１の運転を安定的に行うことができる。

また、ガス噴射ノズル４１，４２を鉛直角度βで傾斜させて配置すると共に、ガス排出管１４の延長部１４ａをガス混合タンク１３内に向けて延長することにより、高炉ガスＧ１の噴射から排気までの距離及び時間を長くすることができる。これにより、ガス混合タンク１３内に噴射された高炉ガスＧ１の噴流表面積を、更に増加させることができる。

本発明は、高炉ガスの流量及びガスカロリーを調整することにより、ガスタービンの発電出力を制御するようにしたガスタービン設備に適用可能である。

１ ガスタービン設備
１１ 高炉
１２ ガス導入管
１３ ガス混合タンク
１４ ガス排出管
１４ａ 延長部
１４ｂ ガス排出孔
３１〜３３ ガス導入分岐管
４１〜４３ ガス噴射ノズル
４１ａ〜４３ａ ガス噴射孔
５１ 内側面
５２ 上面
５３ 底面
５４ 内側角部
Ｇ１ 高炉ガス
Ｇ２ 燃料ガス
θ 噴流角度
α 軸交差角度
β 鉛直角度

Claims (3)

1. 高炉から排出される高炉ガスを燃料ガスとして使用するガスタービン設備において、
   ガスカロリーが変動する前記高炉ガスを取り込んで混合した後、この混合した前記高炉ガスを前記燃料ガスとして外部に排出するガス混合タンクと、
   前記ガス混合タンクに接続され、前記高炉から排出される前記高炉ガスを前記ガス混合タンク内に導入する複数のガス導入管と、
   前記ガス導入管の各ガス流れ方向下流側端部に設けられ、前記高炉ガスを前記ガス混合タンク内に噴射するガス噴射孔を有するガス噴射ノズルとを備え、
   少なくとも２つの前記ガス噴射ノズルは、前記ガス噴射孔側に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置される
   ことを特徴とするガスタービン設備。
2. 請求項１に記載のガスタービン設備において、
   前記ガス噴射孔側に向かうに従って、互いに漸次離間するように傾斜して配置される前記ガス噴射ノズルのうち、少なくとも１つの前記ガス噴射ノズル間の軸交差角度は、前記ガス噴射孔から噴射される前記高炉ガスの噴流角度以上の角度に設定される
   ことを特徴とするガスタービン設備。
3. 請求項１または２に記載のガスタービン設備において、
   前記ガス混合タンク内で混合された前記高炉ガスを、前記燃料ガスとして、前記ガス混合タンクの外部に排出するガス排出管と、
   前記ガス排出管のガス流れ方向上流側端部に形成され、前記ガス混合タンク内に延長される延長部とを備え、
   前記ガス噴射ノズルは、前記ガス噴射孔が、前記ガス混合タンクにおける内側面と上面とが交差する内側角部と対向するように、鉛直方向に所定の鉛直角度で傾斜して配置される
   ことを特徴とするガスタービン設備。

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