JP2013181442A - 高湿分空気利用ガスタービンシステム及び高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させる高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、増湿塔から再生熱交換器までの配管の腐食を抑制することが可能な高湿分空気利用ガスタービンシステム及び運転方法を提供する。
【解決手段】
圧縮機２、圧縮空気に水分を添加する増湿塔７、加湿した圧縮空気を加熱する再生熱交換器６、再生熱交換器からの高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させる燃焼器４、タービン３、ガスタービン排ガスから水分を回収する水回収装置１２などから構成される高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、増湿塔から再生熱交換器までの配管として二重管７２を用い、内側管内に増湿塔から出た圧縮空気を流し、外側管と内側管との間にガスタービン排ガスの一部を流し、内側管内面に水分が存在しないような温度まで加熱して配管の腐食を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させガスタービンを駆動する高湿分空気利用ガスタービンシステム及び高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法に関する。

高湿分空気利用ガスタービンシステムは、燃焼用圧縮空気に水分を添加し、ガスタービンシステムの発電効率を向上させるものとして広く知られている。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、燃焼排ガスからガスタービンに添加した水分を回収して、ガスタービン（燃焼用圧縮空気）へ添加する水分として再度使用する高湿分利用ガスタービンシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

このような高湿分利用ガスタービンシステムでは、燃焼排ガスから水分を回収して再び燃焼用圧縮空気に水分を供給する水系統と、添加する水分の加熱源として燃焼排ガスの熱エネルギを回収する水系統が設けられている。また、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CO2，酸素O2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を除去して、回収水を再利用するようにしている。

特開2010-255456号公報

燃焼排ガス中の水分の回収水からガス及び不純物を除去したとしても、燃焼器に供給する高湿分空気を得るには、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ため、圧縮空気と浄化された水が増湿塔内で混合され、圧縮空気中のCO2やO2，微量のNOxやSOx，Na，Cl等が水に溶解する。温度も高いため、水系統を構成する配管は厳しい腐食環境下に置かれ、高耐食性の材料を使用する必要がある。

そこで、特許文献１では、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の水系統と、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，回収水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段，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の水系統とを備え、第１の水系統と第２の水系統の間に熱交換手段を設けることによって、第１の水系統を流れる循環水に圧縮空気が直接に接することがないようにして、第１の水系統を構成する配管に低コストの材料（低耐食材の炭素鋼）を適用することができるようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載のシステムにおいても、増湿塔から再生熱交換器に至る配管は、不純物が溶解した水分と接することになる。即ち、増湿塔から出た圧縮空気が増湿塔の水を含んだ状態で再熱交換器まで運ばれるため、その配管の内表面は水分を含んだ状態となる。従って、増湿塔から再生熱交換器に至る配管については、特許文献１のシステムにおいても十分な耐食性をもつ材料を使用する必要がある。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が適用される。しかし、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ304等は応力腐食割れの懸念があり、システムの信頼性を低下させる。さらに、ステンレス鋼は高濃度のCr，Niを添加しているために、一般的に価格が高く、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。

本発明の目的は、高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させる高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、増湿塔から再生熱交換器までの配管の腐食を抑制することが可能な高湿分空気利用ガスタービンシステム及び高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法を提供することにある。

本発明は、増湿塔から再生熱交換器までの配管内面が水で濡れないようにして、配管の腐食を抑制することを特徴とする。

より具体的には、タービンを駆動した後の排ガスの熱を用いて、配管内面に水分が存在しないような温度（飽和温度より高い温度）まで配管を加熱して、配管の腐食を抑制する。

配管内面を加熱する具体的な手段としては、増湿塔から再生熱交換器までの配管として二重管を用い、外側管と内側管の間に排ガスの一部を流し、内側管の内側に増湿塔から出た圧縮空気が流れるように構成する。

本発明によれば、増湿塔から再生熱交換器までの配管内面が水で濡れないので、腐食環境を緩和することができ、配管の腐食を抑制することができる。

本発明の実施例（実施例１）における高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統図である。 実施例１における増湿塔から再生熱交換器までの配管の加熱の仕方を説明する図である。 本発明の他の実施例（実施例２）における高湿分空気利用ガスタービンシステムの要部の系統図である。

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。図において、細い線は気体の流れ若しくは気体がながれる配管などを示し、太い線は水の流れ若しくは水が流れる配管などを示す。

本実施例における高湿分空気利用ガスタービンシステムは、圧縮機２、圧縮空気に水分を添加する増湿塔７、加湿した圧縮空気を加熱する再生熱交換器６、再生熱交換器からの高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させる燃焼器４、タービン３、ガスタービン排ガスから水分を回収する水回収装置１２などから構成される。高湿分空気利用ガスタービンシステムとしては、他にも多くの機器が用いられており、これらについては以下の詳細説明において順次説明する。

空気は、配管７６、空気浄化用のフィルタ１、配管７５を通して圧縮機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。圧縮空気は、後段の増湿塔７での増湿作用を高効率で行うため、配管７３に設けた空気冷却器１０において水との熱交換により冷やされて増湿塔７に入る。

増湿塔７は、内部に圧縮空気と水との接触面積を増やすための充填剤８、上部に水の噴霧ノズル３２を備え、増湿塔７の下部には増湿塔循環水１０１が貯留されている。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。増湿後の高湿分圧縮空気は二重配管７２を通して再生熱交換器６に送られて加熱される。再生熱交換器６を出た高湿分圧縮空気は、配管７４を通して燃焼器４に送られる。燃焼器４において燃料Ｆと高湿分圧縮空気を混合して燃焼させて燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスによりタービン３を駆動し、発電機（図示省略）を回転させる。

高温で水分を含んだ排ガス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圧縮空気や水に回収しながら冷却される。その後、水分を含んだ排ガス５は、水回収装置１２に送られて水分が回収され、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。

次に本実施例における水回収及び増湿の水系統について説明する。

水回収装置１２は、配管６７を介して噴霧ノズル３１から排ガス５に冷却器１４で冷却された回収水１００を噴霧して排ガス５から水分を回収する。回収水１００はポンプ４０により配管６８を通して増湿塔７に送られ、増湿塔循環水１０１として補給される。配管６８には、逆止弁９０、バルブ４５、カチオン樹脂塔３３、アニオン樹脂塔３４が設けられている。水回収水１００の保有量が低下した場合は、バルブ４９を開き配管６６を通して外部から水を補給する。

増湿塔７には、配管７０と配管７１により増湿塔循環水の循環経路が形成されている。配管７１にはポンプ４１、脱炭酸塔３０、バルブ４６、熱交換器９が設けられており、配管７０には噴霧ノズル３２が取り付けられている。増湿塔循環水１０１は、ポンプ４１により脱炭酸塔３０、バルブ４６、熱交換器９を経由して噴霧ノズル３２に送られ、脱炭酸塔３０で炭酸ガスが除去され熱交換器９で加熱された水が噴霧ノズル３２から増湿塔内に噴霧され圧縮空気を増湿する。

次に熱交換器９に熱を供給する熱回収水系統について説明する。本実施例では、熱回収水系統を流れる水が、上述の水回収及び増湿の水系統（水回収装置１２、配管６７，６８、増湿塔７、配管７０，７１などで構成）を流れる水と直接交わらないように構成している。即ち、不純物混入の可能性のある水回収・増湿の水系統と、熱回収水系統とが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ようにして、熱回収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を可能としている。

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４８で流量を調節しながら配管６０を通してエコノマイザ１１に送られて加熱され配管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４７で流量を調節しながら配管６４を通して空気冷却器１０に送られて加熱され、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６２に接続されたスプリング付逆止弁５０により圧力を循環水補給タンク１５内へ放出して圧力を制御する。

熱回収水系統を流れる循環水には、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ようにするため腐食抑制剤を添加している。炭素鋼などの耐食性の低い材料への変更により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。

また、熱回収水系統内の流量を制御するバルブ４７，４８により熱回収する循環水量を調整し、ポンプ４１により増湿塔で噴霧する水量を熱回収する循環水量とは別個に制御し、効率的に増湿及び熱回収するようにしている。

次に、図２も参照して増湿塔から再生熱交換器までの配管（二重管）の構成について詳細に説明する。

増湿塔７から出た圧縮空気は増湿塔の水を含んだ状態で再熱交換器７まで運ばれ、その配管の内表面は外からの加熱がない限り水分を含んだ状態となる。そこで、増湿塔から再生熱交換器までの配管の内表面が水で濡れないようにして配管の腐食を抑制する。本実施例では、ガスタービン燃焼後の排ガスの熱を用いて、配管内面に水分が存在しないような温度、即ち、飽和温度より高い温度まで配管を加熱して、配管の腐食を抑制する。

具体的には、増湿塔７から再生熱交換器６までの配管として二重管７２を用い、増湿塔７から出た圧縮空気を内側管７２ｂの内側を通して再生熱交換器６に送り、外側管７２ａと内側管７２ｂとの間にガスタービン３の排ガス５の一部を送り、内側管７２ｂを加熱するように構成している。加熱に利用するガスタービン排ガスとしては再生熱交換器６に入る前の排ガスが好適である。即ち、再生熱交換器６に入る前のガスタービン排ガスの一部を分岐させ配管７７を通して二重管７２の再生熱交換器６側に導入し、二重管７２の増湿塔７側から配管７８を通して再生熱交換器６の出口に送るようにしている。なお、図１や後述の図３の系統図では、排ガスの流れと圧縮空気の流れが分かるように二重管７２を図示している。

図２に示すように、二重管７２は外側管７２ａと内側管７２ｂとで構成され外側管７２ａと内側管７２ｂの間には複数のサポート８０が設けられている。

また、二重管７２の内側管７２ｂの温度を測定する温度センサ２０１と、外側管７２ａの温度を測定する温度センサ２０２が設けられている。温度センサの信号は増湿塔７の出口の圧縮空気の温度及び圧力の信号と共に制御装置２００に送られ、制御装置２００において、温度センサ２０１及び温度センサ２０２の測定値が二重管７２の内側管の設定下限温度及び外側管の設定上限温度とそれぞれ比較され、各測定値が各設定値内となるように排ガス５の流量を調整するガス調整弁５１の開度を制御する。排ガス流量により二重管７２の温度が調節される。

二重管７２の内側管の設定下限温度は、増湿塔７の圧縮空気の温度及び圧力によって得られる蒸気飽和温度よりも高い温度にする。設定温度は余裕を見て３０〜４０°程度高い温度にするのが望ましい。また、二重管７２の異常な過熱を防ぐため、二重管７２の外側管の上限温度が設定される。外側管の設定上限温度は、使用する金属のその環境における耐熱温度とするが（例えば炭素鋼であれば４５０°程度）、上限温度を高くするほど二重管７２の保温が必要になるため、温度が低いほどコスト的には安くすみ、外部に放出される熱も低減される。

このように増湿塔７から再生熱交換器６までの配管をシステム構成することにより、配管には応力腐食割れを含む腐食が発生することはなく、配管材料として安価な低耐食材の炭素鋼あるいは低合金鋼も使用することが可能になる。

なお、上述の実施例では、水回収・増湿系統と熱回収系統を分離した構成としているが、本発明は水回収・増湿系統と熱回収系統を分離しない構成にも適用することができ、増湿塔から再生熱交換器までの配管の腐食を抑制することが可能となる。また、増湿塔に添加する水として回収水以外の純水を用いる場合にも同様に適用でき、増湿塔から再生熱交換器までの配管の腐食を抑制することが可能となる。

図３は他の実施例である高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統要部を示す。図示省略した構成は実施例１と同様な構成である。

本実施例では、起動及び停止時は圧縮空気を増湿させないようにするため、増湿塔７を迂回させバルブ５３及び配管７９を通して圧縮空気を再生熱交換器６に流すようにしたものである。迂回させる際は、バルブ５２およびバルブ５４を閉として、圧縮空気が増湿塔７へ入らないようにする。これにより、起動・停止時の二重管７２の温度が低い場合に、二重管７２の再生熱交換器に至るまでの結露を防ぎ、腐食を抑制することができる。

１…フィルタ、２…圧縮機、３…タービン、４…燃焼器、５…排ガス、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…冷却器、１５…循環水補給タンク、３０…脱炭酸塔、３１，３２…噴霧ノズル、３３…カチオン樹脂塔、３４…アニオン樹脂塔、４０〜４２…ポンプ、４５〜４９…バルブ、５０…スプリング付逆止弁、５１…ガス調整弁、５２〜５４…バルブ、６０〜６２，６４〜６８，７０，７１…配管、７２…二重管、７３〜７９…配管、８０…サポート、１００…回収水、１０１…増湿塔循環水、２００…制御装置、２０１，２０２…温度センサ。

Claims (7)

1. 圧縮機、燃焼器、タービン、前記圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、前記増湿塔からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとを熱交換する再生熱交換器を備え、前記再生熱交換器からの圧縮空気を燃焼用空気とする高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記増湿塔から前記再生熱交換器までの配管として二重管を用い、前記二重管の外側管と内側管との間に前記タービンを駆動した後の排ガスの一部を流し、前記内側管内に前記増湿塔から出た圧縮空気を流すようにしたことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
2. 請求項１において、前記外側管と内側管との間に流す排ガスの流量を調整するガス調整弁と、前記内側管の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの測定値に基づき前記内側管の温度が設定温度よりも高くなるように、前記ガス調整弁の開度を制御する制御装置とを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
3. 請求項２において、前記外側管の温度を測定する温度センサを有し、前記制御装置は、前記外側管の温度センサの測定値に基づき前記外側管の温度が設定温度よりも低くなるように、前記ガス調整弁の開度を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記増湿塔を迂回して前記圧縮機出口と前記再生熱交換器入口とを連通するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたバルブと、前記圧縮機と前記増湿塔を連通する配管の前記バイパス配管接続部の下流に設けられたバルブと、前記増湿塔と前記再生熱交換器を連通する前記二重管の前記バイパス配管接続部の上流に設けられたバルブを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
5. 圧縮機、燃焼器、タービン、前記圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、前記増湿塔からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとを熱交換する再生熱交換器を備え、前記再生熱交換器からの圧縮空気を燃焼用空気とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法であって、
   前記タービンを駆動した後の排ガスの熱を用いて、前記増湿塔から前記再生熱交換器までの配管を、前記増湿塔を出た圧縮空気の飽和温度より高い温度まで加熱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の運転方法。
6. 請求項５において、ガスタービン起動時または停止時には、前記圧縮機からの圧縮空気を、前記増湿塔を迂回させて前記再生熱交換器に導入することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法。
7. 圧縮機、燃焼器、タービン、前記圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、前記増湿塔からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとを熱交換する再生熱交換器を備え、前記再生熱交換器からの圧縮空気を燃焼用空気とする高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記排ガスから水分を回収する水回収装置、回収水から不純物を除去する不純物除去装置、前記不純物除去装置からの回収水を循環させながら前記増湿塔に噴霧する循環系統を有する水回収・増湿の水系統と、前記排ガスあるいは前記圧縮空気の保有する熱量を循環水で回収する熱回収水系統と、前記水回収・増湿の水系統を流れる水と熱回収水系統を流れる水との熱交換を行う熱交換器とを備え、
   前記増湿塔から前記再生熱交換器までの配管として二重管を用い、前記二重管の外側管と内側管との間に前記タービンを駆動した後の排ガスの一部を流し、前記内側管内に前記増湿塔から出た圧縮空気を流すようにしたことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。

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