JP2014118887A - 配管漏れ検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクルプラントの燃料ガス加熱装置において、燃料ガス通過胴内に漏れた燃料ガスが加熱水の給水配管へ漏出したことを確実に検知可能な配管漏れ検知システムを提供する。
【解決手段】複合サイクルプラント１に用いられ、排熱回収ボイラＳＧで加熱された加熱水を熱源として、ガスタービンＧＴの燃焼器ＣＢに供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱装置３０を備え、燃料ガス加熱装置３０は、燃料ガスが通る燃料通過胴３１と、排熱回収ボイラＳＧで加熱された加熱水が通るチューブ３２とを有し、チューブ３２は、燃料通過胴３１の内部に燃料ガスと熱交換可能に設けられ、燃料ガス加熱装置３０内において燃料通過胴３１内の燃料ガスが加熱水へ漏れたことを検知する燃料ガス漏れ検知手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合サイクルプラントに適用される配管漏れ検知システムに関する。

従来、ガスタービンによる発電に加えて、ガスタービンの排熱を利用して排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）で蒸気を発生させ、発生した蒸気を発電機と連結された蒸気タービンの駆動源として利用する複合サイクルプラントが知られている。
このような複合サイクルプラントでは、例えば下記の特許文献１に開示されているように、高温水（ＨＲＳＧ給水）と燃料ガスとを熱交換させる燃料ガス加熱装置（ＦＧＨ）を燃料系統に設置して、ガスタービンの燃料ガスを加熱することが行われている。
また、空気圧縮機に抽気閉回路系を備えたガスタービンにおいては、例えば下記の特許文献２に開示されているように、空気圧縮機の高圧空気を加熱源とし、ガスタービン燃焼器に供給される燃料を加熱する熱交換部を備え、熱交換部に設けた燃料漏洩検出器で高圧空気への燃料漏洩を検出することが行われている。

特開２００１−３２９８０６号公報 特開平１１−９３６９４号公報

ところで、従来の複合サイクルプラントにおいては、プラント停止中に燃料ガス加熱装置の燃料通過胴内部で燃料ガス圧力が給水圧力よりも高くなる。このため、燃料ガス加熱装置の燃料通過胴内において、燃料ガスを流すチューブから漏れ（リーク）が発生した場合には、漏れた燃料ガスが燃料通過胴内に連通する加熱水の給水配管（ＦＧＨ配管）へ漏出することが懸念される。
しかし、現状においては、燃料ガスが給水側の配管に漏出したことを検知する手段はなく、従って、複合サイクルプラントの信頼性をより一層向上させるためにも有効な対策が望まれている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、複合サイクルプラントの燃料ガス加熱装置において、燃料ガス通過胴内に漏れた燃料ガスが加熱水の給水配管へ漏出したことを確実に検知可能な配管漏れ検知システムを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る配管漏れ検知システムは、ガスタービンの排熱を利用して排熱回収ボイラで蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンの駆動源として利用する複合サイクルプラントに用いられ、前記排熱回収ボイラで加熱された加熱水を熱源として、前記ガスタービンの燃焼器に供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱装置を備え、前記燃料ガス加熱装置は、前記燃料ガスが通る燃料通過胴と、前記排熱回収ボイラで加熱された加熱水が通る加熱水配管とを有し、前記加熱水配管は、前記燃料通過胴の内部に前記燃料ガスと熱交換可能に設けられ、前記燃料ガス加熱装置内において前記燃料通過胴内の前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを検知する燃料ガス漏れ検知手段を備えている。

このような本発明の配管漏れ検知システムによれば、燃料ガス加熱装置内において燃料通過胴内の燃料ガスが加熱水へ漏れたことを検知する燃料ガス漏れ検知手段を備えているので、燃料ガス通過胴内に漏れた燃料ガスが加熱水を給水する加熱水配管へ漏出したことを確実に検知できるようになる。

上記の発明において、前記燃料ガス漏れ検知手段は、前記燃料ガス加熱装置の加熱水出口下流における前記加熱水配管内の圧力を検出する圧力伝送器と、この圧力伝送器で検出した圧力の上昇状態に基づいて前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを判定する第１判定部と、を備えている。

また、上記の発明において、前記燃料ガス漏れ検知手段は、前記燃料ガス加熱装置の前記加熱水出口下流における前記加熱水配管の途中に設けられた気泡溜まり部と、この気泡溜まり部に溜まった気泡の量を検出する気泡量検出部と、この気泡量検出部で検出した気泡量に基づいて前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを判定する第２判定部と、を備えている。
この場合、前記第２判定部が、所定量以上の気泡量を検出したと判断したときに、前記気泡溜まり部内の気泡を排出するためのベント弁を備えることが望ましい。

上述した本発明によれば、複合サイクルプラントの燃料ガス加熱装置において、燃料ガス通過胴内に漏れた燃料ガスが加熱水の給水配管へ漏出したことを確実に検知できるようになるので、複合サイクルプラントの信頼性がより一層向上するという顕著な効果が得られる。

本発明に係る配管漏れ検知システムの一実施形態として、複合サイクルプラントへの適用例を示す構成図である。 図１に示した配管漏れ検知システムについて、気泡溜まり部周辺構造を示す要部拡大図である。 給水ポンプ運転時（加熱水の漏れなし）における各弁類の開閉状態等を示すタイムチャートである。 給水ポンプ運転時（加熱水の漏れあり）における各弁類の開閉状態等を示すタイムチャートである。 給水ポンプ停止時（加熱水への燃料ガスの漏れなし）における各弁類の開閉状態等を示すタイムチャートである。 給水ポンプ停止時（加熱水への燃料ガスの漏れあり）における各弁類の開閉状態等を示すタイムチャートであり、漏れ量がある場合を示している。 図６のＡ部を拡大した図であり、加熱水への燃料ガスの漏れ検出の説明図である。 燃料ガスから加熱水へのリーク量が微小（圧力伝送器で検知不能）の場合について、対策時における各弁類の開閉状態等を示すタイムチャートである。

以下、本発明に係る配管漏れ検知システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の配管漏れ検知システム１０は、複合サイクルプラント１に適用されている。この複合サイクルプラント１は、ガスタービンＧＴによる発電に加えて、ガスタービンＧＴの排熱を利用して排熱回収ボイラＳＧで蒸気を発生させ、発生した蒸気を発電機ＧＥと連結された蒸気タービンＳＴの駆動源として利用するものであり、高効率の発電システムとして知られている。

ガスタービンＧＴは、圧縮機Ｃ、燃焼器ＣＢ及びタービンＴにより構成され、圧縮機Ｃ及びタービンＴと主軸と連結された発電機ＧＥを駆動して発電する。また、タービンＴで仕事をした高温の燃焼ガスは、大気へ放出されることなく排ガス配管ＰＨを通って排熱回収ボイラＳＧに供給される。

上述した複合サイクルプラント１には、排熱回収ボイラＳＧで加熱された加熱水を熱源として、ガスタービンＧＴの燃焼器ＣＢに供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱装置３０が設けられている。この燃料ガス加熱装置３０は、燃料ガスが通る燃料通過胴３１と、排熱回収ボイラＳＧで加熱された加熱水が通る加熱水配管のチューブ３２とを有している。すなわち、燃料ガス加熱装置３０は、燃料ガスと加熱水とを熱交換させる熱交換器であり、熱交換器本体（ケーシング）となる燃料通過胴３１の内部には、高温の加熱水を流す加熱水配管（加熱媒体流路）として、チューブ３２が燃料ガスと熱交換可能に配設されている。

燃料通過胴３１は、燃焼器ＣＢに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインＰＧの途中に設けられている。また、チューブ３２の両端（入口及び出口）は、排熱回収ボイラＳＧで生成された高温の加熱水供給ラインＰＷに連結されている。
従って、燃料ガス加熱装置３０では、燃料通過胴３１を通過する燃料ガスがチューブ３２の内部を流れる高温の加熱水から吸熱して温度上昇する。

図示の構成例において、燃料ガス供給ラインＰＧには、三方弁３３による流路の切換を可能にしたバイパスラインＰＢと、所定値以上の水位を検出した場合にアラーム信号を出力するレベルスイッチ（ＬＳ１）３４と、必要に応じて開くことで燃料ガスを放出するベント弁Ｖ７とが設けられている。なお、レベルスイッチ３４の出力信号は、場合によってはプラントの運転をトリップさせる信号としても使用可能である。
また、加熱水供給ラインＰＷには、加熱水を送出して循環させる給水ポンプ３５と、給水入口弁Ｖ１，Ｖ２と、給水出口弁Ｖ３と、燃料ガス温度調節弁Ｖ４，Ｖ５とが設けられている。この場合、給水入口弁Ｖ１，Ｖ２は並列に設けられ、例えば一方の給水入口弁Ｖ１が水張り弁となる。

燃料ガス温度調節弁Ｖ４は、燃料ガス加熱装置３０で熱交換した加熱水を排熱回収ボイラＳＧへ戻す加熱水供給ラインＰＷの配管流路に設けられている。また、燃料ガス温度調節弁Ｖ５は、燃料ガス加熱装置３０で熱交換した加熱水を蒸気タービンＳＴの下流に設けた復水器ＣＤへ導くための分岐配管ＰＣに設けられている。これらの燃料ガス温度調節弁Ｖ４，Ｖ５は、図示しない温度センサで検出した燃料ガス温度に応じて選択されるいずれか一方が開となる。
なお、蒸気タービンＳＴで仕事をした蒸気は復水器ＣＤで凝縮水となり、凝縮水回収ラインＰＲに設置した復水回収ポンプ３６で排熱回収ボイラＳＧへ送水され、排熱により再度加熱されて蒸気となる。

このように構成された複合サイクルプラント１の加熱水供給ラインＰＷには、燃料ガス加熱装置３０内で燃料通過胴３１内の燃料ガスが加熱水へ漏れたことを検知する燃料ガス漏れ検知手段として、以下に説明する構成の配管漏れ検知システム１０を備えている。この配管漏れ検知システム１０は、図１に示す構成例において、燃料ガス加熱装置３０で熱交換した加熱水を排熱回収ボイラＳＧまたは復水器ＣＤに戻す配管流路で、かつ、給水出口弁Ｖ３の上流側に設けられている。

この配管漏れ検知システム１０は、燃料ガス加熱装置３０の加熱水出口下流において加熱水供給ラインＰＷの加熱水配管内圧力を検出する圧力伝送器１１と、この圧力伝送器１１で検出した圧力の上昇状態に基づいて燃料ガスが加熱水へ漏れたことを判定する第１判定部１２とを備えた燃料ガス漏れ検知手段とされる。
すなわち、複合サイクルプラント１のプラント停止中、燃料ガス加熱装置３０内に燃料通過胴３１内の燃料ガスが漏れるチューブリークを生じると、相対的に低圧の給水側に対して高圧の燃料ガスが流れ込む。この結果、加熱水供給ラインＰＷの配管内では配管圧力上昇が生じ、この圧力上昇を圧力伝送器１１で検知することにより、チューブリークの早期検知が可能となる。

また、上述した配管漏れ検知システム１０は、例えば図１及び図２に示すように、燃料ガス加熱装置３０の加熱水出口下流において加熱水供給ラインＰＷの加熱水配管途中に設けられた気泡溜まり部１３と、この気泡溜まり部１３に溜まった気泡量を検出する気泡量検出部のレベルスイッチ（ＬＳ２）１４と、このレベルスイッチ１４で検出した気泡量に基づいて燃料ガスが加熱水へ漏れたことを判定する第２判定部１５とを備えた燃料ガス漏れ検知手段とされる。この場合のレベルスイッチ１４は、加熱水の水位が気泡量（気泡圧力）に応じて変動することを検知するものである。
すなわち、給水側の圧力変動がほとんどない微量なチューブリークを検出するため、燃料ガス加熱装置３０に連結された加熱水供給ラインＰＷの出口側配管に気泡溜まり部１３を設置しておき、チューブリークした燃料ガスを気泡溜まり部１３の一箇所に集約できるような構造としている。

ところで、上述した気泡溜まり部１３に溜まる気泡のほとんどは、実質的にチューブリークした燃料ガスである。従って、第２判定部１５が所定量以上の気泡量を検出したと判断した場合の対応策として、気泡溜まり部１３内の気泡を大気へ排出するために開とするベント弁Ｖ６を設けておくことが望ましい。
また、図２に示す気泡溜まり部１３の周辺構造において、ベント弁Ｖ６の下流にはオリフィス３７が設けられている。なお、図中の符号Ｖ８はメンテナンス等に使用される開閉弁、Ｖ９は通常運転時は閉となる給水ベント弁である。
なお、本実施形態で説明した配管漏れ検知システム１０は、上述した圧力伝送器１１及び第１判定部１２を備えた構成の燃料ガス漏れ検知手段と、気泡溜まり部１３、レベルスイッチ１４及び第２判定部１５を備えた構成の燃料ガス漏れ検知手段とについて、少なくともいずれか一方を備えていればよい。

以下では、上述した配管漏れ検知システム１０の作用について、図３〜図８のタイムチャートを参照して弁類の開閉状態とともに説明する。
図３は、給水ポンプ３５の運転時において、燃料ガスへの加熱水の漏れがない場合を示している。プラント運転開始時は、最初に給水ポンプ３５をオンにするとともに、ＦＧＨ給水入口弁Ｖ１を開ける。これにより、加熱水Ｗの供給が始まる。こうして水張りがなされることにより、加熱水圧力Ｐ_Ｗが上昇して燃料ガス圧力Ｐ_Ｇよりも高く（Ｐ_Ｗ＞Ｐ_Ｇ）なる。加熱水Ｗの水張りが終わると、ＦＧＨ給水入口弁Ｖ１を閉める。

次いで、ＦＧＨ給水入口弁Ｖ２、ＦＧＨ給水出口弁Ｖ３、燃料ガス温度調節弁Ｖ４または燃料ガス温度調節弁Ｖ５を開けることにより、加熱水Ｗが循環する。燃料ガス温度調節弁Ｖ４または燃料ガス温度調節弁Ｖ５の選択は、排熱回収ボイラＳＧ内の圧力に応じて決める。この場合、加熱水Ｗから燃料ガスＧへの漏れがなく、循環時の加熱水圧力Ｐ_Ｗは一定値を維持している。
また、給水ポンプ３５の運転開始（オン）後に加熱水圧力Ｐ_Ｗが燃料ガス圧力Ｐ_Ｇより高くなってから、燃料ガス加熱装置３０の給水入口弁Ｖ２及び給水出口弁Ｖ３を開にして、通常の燃料ガス加熱運転が行われる。すなわち、チューブリークがないので、レベルスイッチ３４は所定値以上の水位を検出しない「０」の状態（正常な状態）にあり、従って、ベント弁Ｖ７も通常時の閉じた状態となっている。

図４は、給水ポンプ３５の運転時において、燃料ガスへの加熱水の漏れがある場合を示している。この場合、漏れがない場合と同様に、給水ポンプ３５の運転開始（オン）後に加熱水圧力Ｐ_Ｗが燃料ガス圧力Ｐ_Ｇより高くなってから、燃料ガス加熱装置３０の給水入口弁Ｖ２及び給水出口弁Ｖ３を開にして、通常の燃料ガス加熱運転が行われる。

しかし、この場合はチューブリークがあるので、加熱水圧力Ｐ_Ｗが低下して所定値より低くなることがある。
このとき、レベルスイッチ３４が所定値以上の水位を検出すると、アラーム信号を出力するか、場合によってはトリップさせる。このように、チューブリークを早期に検知し、対処することができる。

図５は、給水ポンプ３５の停止時において、加熱水への燃料ガスの漏れがない場合を示している。プラント停止時は、最初に燃料ガス温度調節弁Ｖ４を絞り、次いでＦＧＨ給水入口弁Ｖ２，Ｖ３を閉めた後に給水ポンプ３５をオフにする。これにより、加熱水Ｗの供給が止まり、加熱水圧力Ｐ_Ｗが低下して燃料ガス圧力Ｐ_Ｇより低く（Ｐ_Ｗ＜Ｐ_Ｇ）なる。この場合、加熱水Ｗへの燃料ガスＧの漏れはなく、従って加熱水圧力Ｐ_Ｗは一定値を維持している。すなわち、給水ポンプ３５の停止後は、チューブリークがないため、加熱水圧力Ｐ_Ｗが燃料ガス圧力Ｐ_Ｇより低い一定状態を維持している。
従って、圧力伝送器１１は、加熱水圧力Ｐ_Ｗが所定圧力以下の低圧状態にあるため不作動の「０」となり、同様に、レベルスイッチ１４も不作動の「０」となる。

図６は、給水ポンプ３５の停止時において、燃料ガスの漏れがある場合を示している。プラント停止時には、最初に燃料ガス温度調節弁Ｖ４を絞り、次いでＦＧＨ給水入口弁Ｖ２，Ｖ３を閉めてから給水ポンプ３５をオフにする。これにより加熱水Ｗの供給が止まり、加熱水圧力Ｐ_Ｗの圧力低下に伴って燃料ガス圧力Ｐ_Ｇの方が大きく（Ｐ_Ｗ＜Ｐ_Ｇ）なる。このため、燃料ガスＧは低圧側の加熱水Ｗへ漏れることがあり、このようなチューブリークが生じることにより、加熱水圧力Ｐ_Ｗが上昇して燃料ガス圧力Ｐ_Ｇに近づいていく。
従って、圧力伝送器１１及びレベルスイッチ１４は、加熱水圧力Ｐ_Ｗがそれぞれの所定圧力まで上昇した時点でこれを検知して作動する「１」となり、圧力伝送器１１から出力された検知信号をアラームとして利用でき、チューブリークを早期に検知することが可能になる。なお、レベルスイッチ１４は、チューブリーク量が多いと必然的に作動する。

図７は、図６のＡ部拡大図であり、漏れ検出を詳細に示した説明図である。
この場合、給水入口弁Ｖ１を閉じた後、加熱水圧力Ｐ_Ｗを安定化させるため、所定時間（例えば１０分程度）の検知準備が行われる。このような検知準備が完了した後、例えば所定時間Δｔの間に加熱水圧力Ｐ_Ｗの圧力上昇が所定値のΔＰ_Ｗを超える大きな値となった場合に、圧力伝送器１１がこれを検出して検知信号を出力する。

図８は、燃料ガスから加熱水へのリーク量が微小の場合、すなわち、圧力伝送器１１で検知不能な場合について示したものである。
この場合、レベルスイッチ１４が作動して「１」になり、給水ポンプ３５がオンでかつ給水入口弁Ｖ１が開になると、ベント弁Ｖ６が開いて気泡溜まり部１３内の燃料ガスまたは蒸気を放出する。この結果、気泡溜まり部１３内の圧力が低下するので、レベルスイッチ１４は不作動の「０」となる。なお、給水入口弁Ｖ１及びベント弁Ｖ６は同時に開となり、さらに、レベルスイッチ１４が不作動の「０」になった後には、加熱水圧力Ｐ_Ｗが所定値まで上昇した時点で同時に閉となる。

このように、上述した本実施形態の配管漏れ検知システムによれば、複合サイクルプラントの燃料ガス加熱装置３０で燃料通過胴３１内の燃料ガスが加熱水の給水配管であるチューブ３２へ漏出したことを確実に検知できるようになる。この結果、可燃性の燃料ガスが加熱水供給ラインＰＷへ漏出することに起因するリスクを回避でき、複合サイクルプラント１の信頼性をより一層向上させることが可能になる。

換言すれば、複合サイクルプラント１のプラント停止中に燃料ガス加熱装置３０でチューブリークが発生した場合でも、これを早期に検知できるようになり、給水側に燃料ガスを流れ込ませるというリスクを防止できるので、プラント運用上においてより高い安全性を確保できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 複合サイクルプラント
１０ 配管漏れ検知システム
１１ 圧力伝送器（ＰＴ１）
１２ 第１判定部
１３ 気泡溜まり部
１４ レベルスイッチ（ＬＳ２）
１５ 第２判定部
３０ 燃料ガス加熱装置
３１ 燃料通過胴
３２ チューブ（加熱水配管）
３３ 三方弁
３４ レベルスイッチ（ＬＳ１）
３５ 給水ポンプ
３６ 復水回収ポンプ
３７ オリフィス
Ｖ１，Ｖ２ 給水入口弁
Ｖ３ 給水出口弁
Ｖ４，Ｖ５ 燃料ガス温度調節弁
Ｖ６，Ｖ７ ベント弁
Ｖ８ 開閉弁
Ｖ９ 給水ベント弁
ＧＴ ガスタービン
Ｃ 圧縮機
ＣＢ 燃焼器
Ｔ タービン
ＳＧ 排熱回収ボイラ
ＧＥ 発電機
ＳＴ 蒸気タービン
ＣＤ 復水器
ＰＧ 燃料ガス供給ライン
ＰＷ 加熱水供給ライン
ＰＨ 排ガス配管
ＰＢ バイパスライン
ＰＣ 分岐配管
ＰＲ 凝縮水回収ライン

Claims (4)

1. ガスタービンの排熱を利用して排熱回収ボイラで蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンの駆動源として利用する複合サイクルプラントに用いられ、
   前記排熱回収ボイラで加熱された加熱水を熱源として、前記ガスタービンの燃焼器に供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱装置を備え、
   前記燃料ガス加熱装置は、前記燃料ガスが通る燃料通過胴と、前記排熱回収ボイラで加熱された加熱水が通る加熱水配管とを有し、
   前記加熱水配管は、前記燃料通過胴の内部に前記燃料ガスと熱交換可能に設けられ、
   前記燃料ガス加熱装置内において前記燃料通過胴内の前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを検知する燃料ガス漏れ検知手段を備えた配管漏れ検知システム。
2. 前記燃料ガス漏れ検知手段は、前記燃料ガス加熱装置の加熱水出口下流における前記加熱水配管内の圧力を検出する圧力伝送器と、この圧力伝送器で検出した圧力の上昇状態に基づいて前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを判定する第１判定部と、を備える請求項１に記載の配管漏れ検知システム。
3. 前記燃料ガス漏れ検知手段は、前記燃料ガス加熱装置の前記加熱水出口下流における前記加熱水配管の途中に設けられた気泡溜まり部と、この気泡溜まり部に溜まった気泡の量を検出する気泡量検出部と、この気泡量検出部で検出した気泡量に基づいて前記燃料ガスが前記加熱水へ漏れたことを判定する第２判定部と、を備える請求項１または２に記載の配管漏れ検知システム。
4. 前記第２判定部が、所定量以上の気泡量を検出したと判断したときに、前記気泡溜まり部内の気泡を排出するためのベント弁を備えた請求項３に記載の配管漏れ検知システム。
   

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