JP2014145521A - 石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法及び石炭ガス化複合発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】
スートブロワ作動による影響を低減して、熱回収ボイラ発生蒸気を安定に制御可能な石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法と石炭ガス化複合発電プラントを提供する。
【解決手段】
熱回収ボイラ内の蒸発器循環流量を制御して熱回収ボイラの蒸発量の変動を抑制する。例えば、熱回収ボイラの蒸発器ガス側出口にガス温度を計測する燃料ガス温度計測装置を、蒸発器循環水側入口に循環水温度を計測する循環水温度計測装置をそれぞれ設け、ガス温度と循環水温度の温度差が温度差設定値と近くなるよう蒸発器循環流量を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法及び石炭ガス化複合発電プラントに関する。

石炭火力発電プラント、特に石炭を燃焼して蒸気タービン向け蒸気を得る石炭焚きボイラプラントでは、燃焼ガス中の灰がボイラ内の伝熱管表面に付着し伝熱性能が低下する。この問題に対し、ボイラにスートブロワを設置し、間欠的に伝熱管表面の灰を除去し、伝熱性能の低下を防止する技術がある。石炭焚きボイラと同様に、石炭をガス化してガスタービン燃料を得る石炭ガス化複合発電プラントにおいてもガス化によって発生した灰分が下流の熱回収ボイラに付着する。そのため、スートブロワにより伝熱性能の低下を防止している。このようなスートブロワの運用については、例えば、特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１は、石炭焚きボイラプラントに関するもので、再熱器のスートブロワにより再熱器出口蒸気温度が急上昇するので、それを避けるため、スートブロワ実施前にボイラ火炉後部伝熱部に設けられる再熱器と過熱器に対する燃焼排ガスの通過ガス流量をガス分配ダンパで調整する先行信号として付加し、再熱器側の通過ガス量を減少させて熱吸収量を少なくし、再熱器出口蒸気温度を予め下げる制御を行うことにより、再熱器出口蒸気温度が急上昇するのを防ぐようにしている。

特開2004-264002号公報

しかしながら、特許文献１におけるガス分配ダンパ制御は、石炭焚きボイラの形状、及び伝熱面配置に特有なものあり、石炭ガス化複合発電プラントには適用できない。特に、石炭ガス化複合発電プラントでは、熱回収ボイラ通過後のガスをガスタービンの燃料として用いている。そのため、熱交換器通過ガス量を制御した場合にはガスタービンの出力変動、もしくはガス系統内の圧力変動をもたらすことになる。

本発明の課題は、スートブロワ作動による影響を低減して、熱回収ボイラ発生蒸気を安定に制御可能な石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法及び石炭ガス化複合発電プラントを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、熱回収ボイラ内の蒸発器循環流量を制御して熱回収ボイラの蒸発量の変動を抑制することを特徴とする。

本発明によれば、スートブロワ作動による影響を低減して、ボイラ発生蒸気を安定に制御可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施例による石炭ガス化複合発電プラントの要部概略図。 本発明の実施形態にかかるスートブロワ等噴射時の蒸発量と循環水流量を示す模式図。 本発明の第２の実施例による石炭ガス化複合発電プラントの要部概略図。 本発明が適用される石炭ガス化複合発電プラントの一例の概略図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図４を用いて本発明の実施例が適用される石炭ガス化複合発電プラントの一例を説明する。石炭ガス化複合発電プラントは、燃料のガス化を行うガス化部分、得られたガスを精製するガス精製部分、精製されたガス及び得られた蒸気から動力を取り出す発電部分から構成されている。

ガス化部分は、ガス化炉１と熱回収ボイラ（シンガスクーラ）３により構成されている。ガス化炉１では燃料搬送管９により搬送された燃料をガス化する。ガス化された燃料（高温の燃料ガス）は、連絡管２により熱回収ボイラ３に導入され、熱回収ボイラ３において節炭器５及び蒸発器６との熱交換により冷却される。また、熱回収ボイラ３では、燃料ガスとの熱交換により蒸気を得る。節炭器５への給水は排熱回収ボイラ１６（排熱回収ボイラの低圧節炭器）から供給する。蒸発器６への循環水は蒸気ドラム４から循環ポンプ７により強制循環させる。熱回収ボイラ３で発生した蒸気は蒸気ドラム４で回収される。尚、図４には図示していないが、後述のように、熱回収ボイラ３の節炭器５、蒸発器６の伝熱管表面に堆積した燃料の灰分を除去するためのスートブロワが設けられている。

熱回収ボイラ３にて熱交換を終えた燃料ガスはガス精製部分に導入される。ガス精製部分は、燃料ガスから未燃分を回収する集塵装置１１と、不要物質を除去して精製ガスとするガス精製設備１２により構成されている。精製ガスは、燃料配管１３を通してガスタービン１５に供給する。燃料配管１３には燃料調節弁１４が設置されており、燃料調節弁１４によりガスタービン１５の燃焼器に供給する精製ガス流量を制御する。

発電部分は、ガスタービン１５と排熱回収ボイラ１６と蒸気タービン１９とから構成されている。ガスタービン１５では精製ガスを燃焼して動力を得る（発電機の図示は省略している。）。排熱回収ボイラ１６ではガスタービン１５からの排ガスを導入し、給水ポンプ１０からの給水とガスタービン排ガスの熱交換により蒸気を発生する。蒸気は排熱回収ボイラドラム１７で回収される。排熱回収ボイラドラム１７には熱回収ボイラの蒸気ドラム４からの蒸気が合流するようになっている。排熱回収ボイラドラム１７の蒸気は排熱回収ボイラ１６の過熱器により過熱され、主蒸気配管１８を介して蒸気タービン１９に供給され、蒸気タービン１９にて動力を得る（発電機の図示は省略している。）。

本実施例では、蒸気タービン１９は高圧タービンと低圧タービンとにより構成されており、高圧タービンの排気蒸気は排熱回収ボイラ１６の過熱器により過熱され、主蒸気管１８を介して低圧タービンに導入されるようになっている。低圧タービンの排気蒸気は復水器２０にて復水され、給水ポンプ１０にて再び排熱回収ボイラ１６の低圧節炭器に供給される。尚、図４に示す排熱回収ボイラでは低圧ドラム等の図示が省略されている。

次に、図１を用いて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。

熱回収ボイラの節炭器５、蒸発器６には表面に堆積した燃料の灰分を除去するためのスートブロワが多数取り付けられている。スートブロワガスは高圧に保持されたスートブロワホルダ８より供給する。なお、スートブロワの流量、作動時間、作動間隔はスートブロワ量決定手段３１により決定し、節炭器スートブロワ流量制御弁２４、および蒸発器スートブロワ流量制御弁２５により制御する。これらは従前のものを用いることができ、詳細な説明を省略する。

本発明では、熱回収ボイラの蒸発量を安定制御するために、蒸発器循環流量を制御している。即ち、上述のスートブロワ作動に影響されることなく、熱回収ボイラにおいて燃料ガスから蒸気への所定の伝熱量を得るようにしている。

燃料ガスから蒸気への伝熱量は、系統外への熱損失を無視した場合、燃料ガスの温度低下量によって決まる。従って、蒸発器出口（ガス側出口）のガス温度と蒸発器入口（循環水側入口）の循環水温度の温度差を制御することにより、燃料ガスから蒸気への伝熱量を実質的に制御することができる（言い換えれば、蒸発器出口のガス温度と蒸発器入口の循環水温度の温度差を制御することは、燃料ガスから蒸気への伝熱量を制御することと同義である。）。

そこで、本実施例では、熱回収ボイラ内の蒸発器出口のガス温度と蒸発器入口の循環水温度の温度差が温度差設定値と近くなるよう蒸発器循環流量を制御する。具体的には、燃料ガス温度計測装置２１より蒸発器出口ガス温度を計測し、循環水温度計測装置２２により蒸発器入口循環水温度を計測し、そして、蒸発器循環流量制御手段３３において、蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が所定値（温度差設定値）と近くなるようにPID制御を用いて蒸発器循環流量制御弁２３の開度を調節している。

本実施例の作用について説明する。熱回収ボイラの節炭器５，蒸発器６において、伝熱菅への灰分の堆積、スートブロワ作動による灰分の除去を繰り返すことで、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が常に変動する。灰分の堆積により燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が低下した場合は、蒸発器６の循環水流量を増加することで、循環水流速を上昇、および伝熱管と循環水の温度差を増大し、伝熱を促進する。即ち、蒸発器循環流量が一定とすると、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が低下した場合は、蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が温度差設定値よりも大きくなる。本実施例では循環水流量を増加して伝熱管と循環水間の伝熱を促進することによって蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が温度差設定値と近くなるようにしている。また、スートブロワにより燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が回復した場合は、蒸発器６の循環水流量を減少することで、循環水流速を低下、および伝熱管と循環水の温度差を減少し、伝熱を抑制する。即ち、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が回復した場合は、循環水流量を増加させたままでは、蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が温度差設定値よりも小さくなる。循環水流量を減少して伝熱管と循環水間の伝熱を抑制することによって蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が温度差設定値と近くなるようにしている。つまり、本実施例では、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能の変化を伝熱管と循環水間の伝熱性能の調整で補償し、燃料ガスから循環水までの全体の伝熱性能が変動しないようにていると言える。

図２は、上述の作用を熱回収ボイラ蒸発量と蒸発器循環流量との関係で説明するもので、本実施例の石炭ガス化複合発電プラントにおけるスートブロワ流量、熱回収ボイラ蒸発量、蒸発器循環流量を図示したものである。

蒸発器循環流量が一定であると、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能の影響により図２のＢにおける点線で示すように熱回収ボイラ蒸発量が変動する。即ち、灰分の堆積により燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能が徐々に低下し、スートブロワ作動により燃料ガスと伝熱管の伝熱性能が急激に回復することから、スートブロワ作動まで熱回収ボイラ蒸発量が徐々に低下し、スートブロワ作動により熱回収ボイラ蒸発量が急激に回復するという変動を繰り返す。これに対して、本実施例では、蒸発器循環流量を蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差が温度差設定値と近くなるように制御することにより、図２のＣにおける実線のように蒸発器循環流量を操作している。これにより、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能の変動が、伝熱管と循環水間の伝熱性能を調整することで補償され、図２のＢにおける実線のように熱回収ボイラ蒸発量の安定制御が可能となる。

従って、本実施例によれば、スートブロワ作動に影響されることなく、熱回収ボイラにおいて燃料ガスから蒸気への所定の伝熱量を得ることができ、熱回収ボイラの蒸発量を安定制御することができる。

また、本実施例では、熱回収ボイラにおいて、ガス化炉負荷に応じた燃料ガスから蒸気への伝熱量を得るようにしている。具体的には、本実施例では、蒸発器出口温度差決定手段３２を用いて温度差設定値を決定している。即ち、ガス化炉負荷指令を蒸発器出口温度差決定手段３２に入力し、蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差設定値ΔT_Demandを決定するようにしている。本実施例では、温度差設定値ΔT_Demandは、プラント熱バランスと一致するようガス化炉負荷の関数で定義している。ただし、実機運転データを参照し、前記関数を調整してもよい。そして、蒸発器出口温度差決定手段３２で得られた温度差設定値ΔT_Demandに基づき、蒸発器循環流量制御手段３３において、計測された蒸発器出口ガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差実測値ΔTが、温度差設定値ΔT_Demandと近くなるようPID制御を用いて蒸発器循環流量制御弁２３を調節する。

また、図２からも分かるように、スートブロワ作動時は、燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能の急激な変化により熱回収ボイラ蒸発量が急変動するのを抑制するために蒸発器循環流量を速やかに変化させることが望まれる。そこで、本実施例では、スートブロワ量決定手段３１から蒸発器循環流量制御手段３３にもスートブロワ作動指令が送信されるように構成されている。即ち、本実施例の制御装置では、スートブロワ作動指令を検知し、蒸発器循環流量制御弁開度指令にスートブロワ作動時間、および作動位置に応じた先行指令（減バイアス）を加算するようにしている。これにより、スートブロワ作動時は、蒸発器循環流量を速やかに変化させることができ、また、スートブロワによる伝熱性能変化の影響を先行的に抑制することができる。

図３を用いて第２の実施例を説明する。本実施例は、第一の実施例と同様に、図４に示す石炭ガス化複合プラントなどに適用され、ガス化炉１、連絡管２、熱回収ボイラ３、節炭器５、蒸発器６、蒸気ドラム４、循環ポンプ７、スートブロワホルダ８、スートブロワ量決定手段３１、節炭器スートブロワ流量制御弁２４、蒸発器スートブロワ流量制御弁２５から構成される。これらについては第一の実施例と同様であり、詳細な説明を省略する。さらに本実施例では、蒸気ドラム４の蒸気配管出口に蒸気流量計測装置２６と、蒸発器出口流量決定手段３４を備える。

本実施例では、蒸発器出口のガス温度と蒸発器入口循環水温度の温度差を制御に代えて、蒸発器出口流量（蒸気ドラム４の蒸気配管出口の蒸気流量）が所定値（出口流量設定値）と近くなるような制御を実施している。

そして、本実施例では、ガス化炉負荷に応じた燃料ガスから蒸気への伝熱量を得るようにするため、ガス化炉負荷指令を蒸発器出口流量決定手段３４に入力し、蒸発器出口流量設定値F_Demandを決定し、この蒸発器出口流量設定値F_Demandを目標値として制御を実施している。蒸発器出口流量設定値F_Demandは、第一の実施例と同様に、プラント熱バランスと一致するようガス化炉負荷の関数で定義する。ただし、実機運転データを参照し、前記関数を調整してもよい。そして、蒸気流量計測装置２６にて計測された実流量Fが、蒸発器出口流量設定値F_Demandと近くなるようPID制御を用いて蒸発器循環流量制御弁２３を調節している。

本実施例によれば、スートブロワ作動、および燃料ガス流量変化による燃料ガスと伝熱管間の伝熱性能の変化に関わらず、ガス化炉負荷に対して所望の蒸気流量を蒸気ドラム４から取り出すことができる。

さらに本実施例では、プラント負荷指令を蒸発器循環流量制御手段３３に入力し、プラント負荷変化指令に対して蒸発器循環流量制御弁開度指令に先行指令を加算するようにしている。プラント負荷指令が負荷上昇指令の場合には、先行指令は、蒸発器循環流量制御弁開度指令に増バイアスを付加する指令となり、プラント負荷指令が負荷降下指令の場合には、先行指令は、蒸発器循環流量制御弁開度指令に減バイアスを付加する指令となる。蒸気ドラム４の蒸気流量を先行的に制御することで伝熱管と循環水間の伝熱性能を変化させ、燃料ガスから蒸気への伝熱の遅れを補償する効果を得るようにしている。これによりプラントの負荷追従性能向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。例えば、第二の実施例におけるプラント負荷指令に基づく先行制御は、第一の実施例にも適用することが可能である。

また、水や蒸気の流れ，熱交換などは説明上必要と考えられるものを示しており、プラント上必ずしも全ての水や蒸気の流れ，熱交換などを示しているとは限らない。実際にはプラントの熱効率などを向上させるために、水や蒸気の流れ、熱交換などの工夫が種々行われている。

1… ガス化炉
2… 連絡管
3… 熱回収ボイラ
4… 蒸気ドラム
5… 節炭器
6… 蒸発器
7… 循環ポンプ
8… スートブロワホルダ
9… 燃料搬送管
10… 給水ポンプ
11… 集塵装置
12… ガス精製設備
13… 燃料配管
14… 燃料調節弁
15… ガスタービン
16… 排熱回収ボイラ
17… 排熱回収ボイラドラム
18… 主蒸気配管
19… 蒸気タービン
20… 復水器
21… 燃料ガス温度計測装置
22… 循環水温度計測装置
23… 蒸発器循環流量制御弁
24… 節炭器スートブロワ流量制御弁
25… 蒸発器スートブロワ流量制御弁
26… 蒸気流量計測装置
31… スートブロワ量決定手段
32… 蒸発器出口温度差決定手段
33… 蒸発器循環流量制御手段
34… 蒸発器出口流量決定手段

Claims (9)

1. 石炭ガス化複合発電プラントの燃料ガスから熱を回収する熱回収ボイラの蒸発量を制御する石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法であって、
   前記熱回収ボイラの蒸発器ガス側出口のガス温度を計測し、前記熱回収ボイラの蒸発器循環水側入口の循環水温度を計測し、前記ガス温度と前記循環水温度の実温度差が温度差設定値と近くなるよう前記熱回収ボイラの蒸発器循環流量を制御することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
2. 請求項１において、前記温度差設定値は、前記石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉負荷指令に基づき決定することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
3. 請求項１または２において、前記熱回収ボイラの伝熱管の表面に堆積した燃料の灰分を除去するスートブロワ作動指令に基づき前記熱回収ボイラの蒸発器循環流量を先行制御することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
4. 石炭ガス化複合発電プラントの燃料ガスから熱を回収する熱回収ボイラの蒸発量を制御する石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法であって、
   前記熱回収ボイラから得られる蒸気を回収する蒸気ドラムの蒸気配管出口の蒸気流量を計測し、前記蒸気流量の実流量が、蒸発器出口流量設定値と近くなるよう前記熱回収ボイラの蒸発器循環流量を制御することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
5. 請求項４において、前記蒸発器出口流量設定値は、前記石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉負荷指令に基づき決定することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
6. 請求項４または５において、前記石炭ガス化複合発電プラントのプラント負荷上昇指令に基づき前記熱回収ボイラの蒸発器循環流量を制御する循環流量制御弁の開度指令に増バイアスを付加し、前記石炭ガス化複合発電プラントのプラント負荷降下指令に基づき前記循環流量制御弁の開度指令に減バイアスを付加し、前記熱回収ボイラの蒸発器循環流量を制御することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラントの運転制御方法。
7. 燃料をガス化して燃料ガスを生成するガス化炉と、前記燃料ガスから節炭器および蒸発器により熱を回収して蒸気を生成する熱回収ボイラと、前記ガス化炉と前記熱回収ボイラを接続する連絡管と、前記熱回収ボイラから得られる蒸気を回収する蒸気ドラムと、前記蒸気ドラムの缶水を循環させる循環ポンプと、前記燃料ガスを燃料とするガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスから熱を回収して蒸気を得る排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラおよび前記蒸気ドラムから得られる蒸気を動力源とする蒸気タービンと、前記節炭器および前記蒸発器の表面に堆積した燃料の灰分を除去するスートブロワと、前記蒸発器の循環水流量を制御する循環流量制御弁と、前記循環流量制御弁の制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記スートブロワの作動に伴う前記熱回収ボイラの蒸発量の変動を抑制するよう前記循環流量制御弁を制御することを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
8. 請求項７において、前記蒸発器ガス側出口に設けられたガス温度計測装置と、前記蒸発器循環水側入口に設けられた循環水温度計測装置とを備え、前記制御装置は、前記ガス温度と前記循環水温度の温度差が、ガス化炉負荷指令に基づき決定された温度差設定値と近くなるよう前記循環流量制御弁を制御すること特徴とすることを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
9. 請求項７において、前記蒸気ドラムの蒸気配管出口に設けられた蒸気流量計測装置を備え、前記制御装置は、前記蒸気流量計測装置にて計測された実流量が、ガス化炉負荷指令に基づき決定された蒸発器出口流量設定値と近くなるよう前記循環流量制御弁を制御すること特徴とすることを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。

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