JP2017166334A - Operation method in starting gas turbine, and exhaust gas passage device of gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン起動時の運転方法およびその運転時に適用して有用なガスタービンの排気ガス経路装置に関する。 The present invention relates to an operation method at the time of starting a gas turbine and an exhaust gas path device for a gas turbine that is useful when applied during the operation.
一般に、火力発電所などでは、燃料を燃焼させて発生した高温高圧の燃焼ガスを用いてガスタービンを回転させ、その回転力を利用する発電機により電力を発生させている。この場合、そのタービンには直接、燃焼ガス等を導入しているが、これらの燃料ガスや燃焼用空気等については、タービンの入側においてフィルター等を用いて清浄化するのが普通である。即ち、ガスタービンの場合、従来、その上流側(入側)の燃料ガス等は清浄化処理してから導入されているのである。その結果、ガスタービンの下流側、即ち、出側である排気系燃焼ガス中の粉じんは比較的少ないものになっている。従って、燃焼ガスによりタービンを回転させた後は、通常、そのまま排気することができ、排気ガスの再処理は行なわないか、脱硝設備を配設する程度に止めるのが普通である。 In general, in a thermal power plant or the like, a gas turbine is rotated using high-temperature and high-pressure combustion gas generated by burning fuel, and electric power is generated by a generator that uses the rotational force. In this case, combustion gas or the like is directly introduced into the turbine, but these fuel gas, combustion air, and the like are usually cleaned by using a filter or the like on the inlet side of the turbine. That is, in the case of a gas turbine, conventionally, the upstream side (incoming side) fuel gas or the like is introduced after being cleaned. As a result, the amount of dust in the exhaust system combustion gas which is the downstream side of the gas turbine, that is, the outlet side, is relatively small. Therefore, after the turbine is rotated by the combustion gas, the exhaust gas can usually be exhausted as it is, and the exhaust gas is usually not reprocessed or stopped to the extent that a denitration facility is provided.
また、その他の従来技術としては、ガスタービンの下流側に排熱回収ボイラを配設し、この排熱回収ボイラにより高温の蒸気を発生させて蒸気タービンで熱回収するコンバインドサイクル発電、さらにはタービンの上流側にサイクロンやガス精製装置を配置した石炭ガス化複合発電システムなどもある(特許文献1)。 As another conventional technique, a combined cycle power generation in which an exhaust heat recovery boiler is disposed downstream of the gas turbine, high temperature steam is generated by the exhaust heat recovery boiler, and heat recovery is performed by the steam turbine. There is also a coal gasification combined power generation system in which a cyclone and a gas purification device are arranged on the upstream side (Patent Document 1).
さらに、特許文献2に開示されているガスタービンでは、該タービンの上流側(入側)に除塵用フィルタを配設して粉じんを含まない空気を圧縮機に送ることとしている。
Furthermore, in the gas turbine disclosed in
前述したように、特許文献1、2などに開示されている従来のガスタービンの場合は、燃焼ガスの圧力、顕熱を回収した後、一般にはそのまま排気ガスとして煙突等を介して大気放散するのが普通である。
As described above, in the case of the conventional gas turbines disclosed in
ところで、既存のガスタービンは、燃焼用空気をタービンの入側においてフィルタで予め除塵してから使用するため、燃料燃焼後の排気ガス中には粉じんはほとんど含まれていないと考えられている。しかし、この状態は、ガスタービンを安定的に運転しているときのことであり、それ故にこの場合、排気ガスをそのまま放散しても何の問題もないと言える。しかしながら、ガスタービンというのは、検査や設備補修等のために運転を停止することがある。このようなタイミングでは、燃焼ガス(排気ガス)が流通する経路内に空気が流入し、かつ温度変化や水分の流入によって、鉄さびなどを発生させることがある。 By the way, the existing gas turbine is used after the combustion air is previously dust-removed by a filter on the inlet side of the turbine, so that it is considered that the exhaust gas after fuel combustion contains almost no dust. However, this state is when the gas turbine is stably operated. Therefore, in this case, it can be said that there is no problem even if the exhaust gas is diffused as it is. However, the operation of a gas turbine may be stopped for inspection or equipment repair. At such timing, air flows into the passage through which the combustion gas (exhaust gas) flows, and iron rust or the like may be generated due to temperature change or inflow of moisture.
その他、特に石炭ガス化ガス、高炉ガス等の製鉄所副生ガス、重油等の硫黄分を含む燃料を使用するコンバインドサイクル発電などでは、ガスタービンの直後にある排熱回収ボイラでは、燃料中に含まれる硫黄が酸化されてSOxが生成するため、これが燃焼ガス中の水分と反応して硫酸を生成し、この硫酸がボイラチューブと反応して該ボイラチューブ内表面に硫酸鉄を生じさせることがある。 In addition, especially in combined cycle power generation using coal-containing gas such as coal gasification gas and blast furnace gas, and fuel containing sulfur content such as heavy oil, in the exhaust heat recovery boiler immediately after the gas turbine, Since the contained sulfur is oxidized to produce SOx, it reacts with moisture in the combustion gas to produce sulfuric acid, which reacts with the boiler tube to produce iron sulfate on the inner surface of the boiler tube. is there.
さらには、ガスタービンの運転に当たっては、排気ガス中に含まれるNOxを低減させるために、脱硝用アンモニアを使用することがあり、この場合、この脱硝用アンモニアとSOxとの反応により硫酸アンモニウム(NH4)2SO4が発生し、これが排熱回収用ボイラのボイラチューブ内表面に付着し、堆積することが避けられない。 Furthermore, when operating the gas turbine, denitration ammonia may be used to reduce NOx contained in the exhaust gas. In this case, ammonium sulfate (NH 4) is produced by the reaction between the denitration ammonia and SOx. ) 2 SO 4 is generated, and it is inevitable that this will adhere to and accumulate on the inner surface of the boiler tube of the exhaust heat recovery boiler.
このように、燃料中に硫黄分を含み、かつ排熱回収設備を有するガスタービンでは、排熱回収設備の使用により、ボイラチューブの内表面に、硫酸鉄や硫酸アンモニウムといった生成物が不可避に生成付着し成長していると考えられている。 In this way, in a gas turbine that contains sulfur in the fuel and has an exhaust heat recovery facility, products such as iron sulfate and ammonium sulfate are inevitably generated and adhered to the inner surface of the boiler tube by using the exhaust heat recovery facility. It is thought to be growing.
この点、ガスタービンを定常状態で運転しているときは、上述したようなボイラチューブ表面で反応した硫黄酸化生成物は該ボイラーチューブの表面に付着した状態にあり、それ故にこうした生成物が、燃焼ガスに同伴されて煙突から排出されるようなことはない。しかし、前述したように、設備の検査や補修といった設備停止をする場合には、ボイラチューブの温度が低下する。そのため、このときにボイラチューブの熱収縮等によって、付着していた鉄錆びや硫酸鉄、硫酸アンモニウムといった生成物が剥離してフレークとなってしまうことがある。そして、こうした場合において、その後、設備(ガスタービン)を起動しようとすると、このような鉄さびや硫酸鉄、硫酸アンモニウムが剥離してフレーク状となったものが排気ガス中に混入し、これが煙突から飛散するおそれがあった。このような鉄さびや硫酸鉄、硫酸アンモニウムは、粉じんとして放散されてしまうため、環境上、好ましくない事態を招くおそれがあった。 In this regard, when the gas turbine is operating in a steady state, the sulfur oxidation product reacted on the boiler tube surface as described above is in a state of being attached to the surface of the boiler tube. There will be no exhaust from the chimney with the combustion gas. However, as described above, when the facility is stopped such as inspection or repair of the facility, the temperature of the boiler tube is lowered. Therefore, products such as iron rust, iron sulfate, and ammonium sulfate that have adhered may peel off due to heat shrinkage of the boiler tube at this time, resulting in flakes. In such a case, after that, when the equipment (gas turbine) is started up, the iron rust, iron sulfate, and ammonium sulfate are peeled off and flakes are mixed into the exhaust gas, which is scattered from the chimney. There was a risk. Since such iron rust, iron sulfate, and ammonium sulfate are diffused as dust, there is a risk of causing an undesirable situation in the environment.
一方、このような問題は、通常の設備運転時には生じないため、上述したような問題は設備の起動運転時のみに、注意をする必要がある。従って、従来は、タービンの起動時に煙突から排出される粉じんができるだけ飛散しないように、気象条件の良いときにのみ起動するといった対応を取ったり、定期的なボイラー内部の洗浄をすることが多かったのである。 On the other hand, since such a problem does not occur at the time of normal facility operation, it is necessary to pay attention to the above-described problem only at the time of facility start-up operation. Therefore, conventionally, in order to prevent dust discharged from the chimney from being scattered as much as possible when the turbine is started, it is often necessary to start up only when the weather conditions are good, or regularly clean the inside of the boiler. It is.
本発明は、このようなタービンを起動させるときに生じるおそれのある粉じんや各種フレークの飛散の問題を未然に解消することのできる技術の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique that can solve the problem of dust and various flakes that may occur when starting such a turbine.
発明者らは、従来技術が抱えている前述した課題を克服できると共に、前記目的の実現に向けて鋭意、検討を重ねた結果、下記のような構成を特徴とする本発明を開発するに到った。 The inventors have overcome the above-mentioned problems of the prior art, and, as a result of earnestly and intensively studying the achievement of the object, have developed the present invention characterized by the following configuration. It was.
即ち、本発明は、燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービン起動時の運転に当たり、このガスタービンの排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを介して流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させ、ガスタービン起動時の運転中は、排気ガスを上記バイパス経路中に導いて当該経路中に配設したフィルター式集塵機にて該排気ガスの除塵を行なうことを特徴とするガスタービン起動時の運転方法である。 That is, according to the present invention, when the gas turbine is started to obtain driving force by burning the fuel gas, the exhaust gas path of the gas turbine can be switched to the main path through the path switching damper. Branching into a bypass path, and during operation when starting the gas turbine, exhaust gas is guided into the bypass path, and the exhaust gas is removed by a filter dust collector disposed in the path. It is the operation method at the time of starting the gas turbine.
また、本発明は、前記ガスタービン起動時の運転方法に使用するものとして、燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービンの排気ガス経路装置において、該排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを使って流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させると共に、そのバイパス経路中には起動時運転用フィルター式集塵機を配設したことを特徴とするガスタービンの排気ガス経路装置を提案する。 The present invention also provides an exhaust gas path device for a gas turbine that obtains a driving force by burning fuel gas as an operation method at the time of starting the gas turbine. An exhaust gas path device for a gas turbine characterized in that a filter type dust collector for start-up operation is disposed in the bypass path, and the main path and the bypass path are switchable using Propose.
なお、本発明においては、
(1)ガスタービン起動時の運転は、起動開始後6時間経過するまでには終了させること、
(2)ガスタービン起動時の運転は、少なくともバイパス経路出側における排気ガス中の粉じん濃度が0.1g/m3(Normal)以下、望ましくは0.05g/m3(Normal)以下になったときに終了すること、
(3)前記排気ガス経路の少なくとも前記バイパス経路の出側においては、粉じん濃度を測定すること、
(4)ガスタービンの起動時の運転が終了した後、排気ガスを前記流路切替用ダンパーを使って、メイン経路に導くこと、
(5)前記フィルター式集塵機は、集塵率(比色法)が60%以上、および/または濾過通過粒子の大きさを50μm以下にできるものを用いること、
(6)前記排気ガス経路の少なくともバイパス経路の出側に粉じん濃度計を配設したこと、
を採用することが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
In the present invention,
(1) The operation at the time of starting up the gas turbine should be terminated by 6 hours after the start of starting,
(2) operation when starting the gas turbine, the dust concentration in the exhaust gas in at least the bypass passage outlet side 0.1 g / m 3 (Normal) or less, preferably became 0.05 g / m 3 (Normal) or less Sometimes ending,
(3) measuring the dust concentration at least on the outlet side of the bypass path of the exhaust gas path;
(4) After the operation at the time of starting the gas turbine is completed, the exhaust gas is guided to the main path using the flow path switching damper.
(5) The filter-type dust collector should have a dust collection rate (colorimetric method) of 60% or more and / or a filter-passing particle size of 50 μm or less,
(6) A dust concentration meter is disposed at least on the outlet side of the bypass path of the exhaust gas path,
It is considered that adopting the above can be a more preferable solution.
前述した構成に係る本発明によれば、ガスタービン、例えば、排熱回収設備を有するガスタービンを運転する際に、とりわけ起動時に発生することが予想される排気ガス中に含まれる粉じん(フレーク状粉じんを含む)を排気ガス経路のうちのとくに起動時に使うバイパス経路中に配設したフィルター式集塵機により除去(除塵)することで、有害な粉じんが大気中へ放散するのを未然に防ぐことができる。さらに、起動運転を終えて通常(安定)運転時になったときには、排気ガスをフィルター式集塵装置を通すことなく放散できるようになるために、不要な圧力損失を回避して有効なエネルギー回収を行なうことができるという効果があり、発電効率の向上を図ることができる。 According to the present invention having the above-described configuration, when operating a gas turbine, for example, a gas turbine having an exhaust heat recovery facility, dust contained in exhaust gas that is expected to be generated at the start-up (flaky state) By removing the dust (including dust) with a filter-type dust collector installed in the exhaust gas path, especially the bypass path used at startup, it is possible to prevent harmful dust from being released into the atmosphere. it can. Furthermore, when the start-up operation is completed and normal (stable) operation is reached, exhaust gas can be dissipated without passing through a filter type dust collector, so that effective pressure recovery can be achieved by avoiding unnecessary pressure loss. There is an effect that it can be performed, and power generation efficiency can be improved.
図1は、本発明に用いて好適なタービン、とくに高炉ガスのような製鉄所副生ガスを燃料ガスとして発電を行なうガスタービン設備の例を示す。この図において、図示の1はガスタービン、2は外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮器、3は圧縮した空気を燃料ガスと混合して燃焼させることにより、高温・高圧のガスを得る燃焼器であり、得られたその高温・高圧のガスにて、前記ガスタービン1を回転させ、その回転軸と主として同軸上に取付けられる図示しない発電機を起動させて発電する構成のものが一般的である。
FIG. 1 shows an example of a turbine suitable for use in the present invention, in particular, a gas turbine facility that generates electric power using a by-product gas such as a blast furnace gas as a fuel gas. In this figure, 1 is a gas turbine, 2 is a compressor that compresses air taken in from the outside, and 3 is a combustor that obtains high-temperature and high-pressure gas by mixing the compressed air with fuel gas and burning it. In general, the
なお、図1に示す例は、前記タービン1の下流側(排気出側)に、排気ガスの顕熱を回収するための排熱回収ボイラ4を配置し、この排熱回収ボイラ4にて発生する蒸気にて駆動させる蒸気タービン5を配置すると共に、この蒸気タービン5を介して、発電機を起動させて発電する例である。なお、図示の6は復水器である。
In the example shown in FIG. 1, an exhaust heat recovery boiler 4 for recovering sensible heat of exhaust gas is disposed downstream of the turbine 1 (exhaust output side), and is generated in the exhaust heat recovery boiler 4. This is an example in which a
前記タービン設備において、本発明では、前記ガスタービン1の下流側には直接的にまたは、排熱回収ボイラ4などを介して間接的に、即ち排気ガス経路7を次のように構成配置し、特に、ガスタービン起動時の運転に備えるようにした。
In the turbine equipment, in the present invention, the
具体的には、前記排気ガス経路7中に、流路切替用ダンパー8を配設すると共に、その延在位置を、通常運転時に利用するメイン経路7aと起動時運転に利用するバイパス経路7bとに分岐し、該バイパス経路7bをガスタービンの起動運転時の所定の時間だけ使用するようにしたものである。
Specifically, a flow path switching damper 8 is disposed in the
そして、本発明では、ガスタービンの起動時運転に使用するために、前記バイパス経路7b中にフィルター式集塵機9を配設している。そのフィルター式集塵機8としては、排気ガス温度(通常100〜150℃)を考慮した既知の耐熱エヤフィルタ(濾材として金網で支持されたガラス綿を利用した箱状のもの)などの1〜複数個を積層ないし所要の間隔をおいて列設して用いることが好ましい。
In the present invention, a filter
このようなフィルター式集塵機9を用いることで、特に、ガスタービンの起動時に観察されることが多い、いわゆる該ガスタービン1や排熱回収ボイラ4の出側における高温排気ガス中に含まれる粉じん(媒塵)、あるいは前述したボイラーチューブ内表面に生成した硫酸鉄片や付着硫酸の剥離片等からなるフレイク(flake)を除去することができ、排気ガスをそのまま放散することがあっても、排気ガス中の粉じん等を環境上、全く問題にならない程度にまで低下させることができるようになる。
By using such a filter
このような要請に応えられる前記フィルター式集塵機9の性能としては、例えば、前記フレイクを可視粒径以下のものとするために、集塵率がJIS9908に定める比色法での平均捕集率が60%以上、および/または濾過通過粒子の大きさが50μm以下となる性能のものになるように、耐熱エヤフィルタの設置個数を調整することが好ましい(ただし、平均捕集率が60%以上の耐熱エヤフィルタであれば、1基でも入側粉じんの99.9mass%までの除去は可能である)。それは、上記の集塵率、濾過通過粒子であれば環境上の問題を克服できるからである。
As the performance of the filter
本発明において、ガスタービン起動時の運転は、起動開始後4〜5時間程度、少なくとも6時間を経過するまでには終了することが好ましい。その理由は、実機において排熱回収ボイラ4内部を水洗した場合、水洗後の該ボイラ4内部の水分が起動時の排気ガスによって乾燥し、少なくとも起動後6時間を経過すると、新たな粉じんの発生はなくなるからである。 In the present invention, the operation at the time of starting the gas turbine is preferably finished by at least 6 to 5 hours after the start of starting. The reason for this is that when the inside of the exhaust heat recovery boiler 4 is washed with water in the actual machine, the moisture inside the boiler 4 after washing is dried by the exhaust gas at the start, and at least 6 hours after the start, new dust is generated. Because there will be no more.
また、ガスタービン起動時の運転は、少なくともバイパス経路7bの出側における排気ガス中の粉じん濃度が0.1g/m3(Normal)以下、望ましくは0.05g/m3(Normal)以下になったときに終了することが望ましい。その理由は、実機において、0.05g/m3(Normal)以下まで低下した場合は、それ以降の粉じんの再上昇が見受けられなくなるからである。このレベルは、以下で説明するような(実施例で想定する)150MW級のガスタービンにおいては、1kg/分程度の粉じん飛散量に相当するものである。1分間に1kgの粉じんがボイラーから剥離、飛散する状況は非定常状態と想定され、望ましくは、粉じん濃度がこれ以下のレベルになったことを確認してから、経路の切り替を行なうことが望ましい。
Also, the operation of the startup gas turbine, at least dust concentration 0.1 g / m 3 in the exhaust gas at the outlet side of the
なお、前記フィルター式集塵機9については、一定量まで粉じんを捕捉すると交換が必要となる。そのため、前記耐熱エヤフィルターは、その数を多くして、集塵面積を大きくした方が、フィルターの寿命を永くすることができ、交換周期は長くなる。一方、フィルタ個数を多くすると初期投資が嵩むため、最適個数の選定が必要となる。該耐熱エヤフィルタは、設備起動時の数時間(例えば、5時間程度)しか使用せず、使用後は待機(不使用)となるため、起動回数が多いガスタービンは該フィルタの個数を多くし、起動回数が少ないガスタービンでは該フィルタの個数を少なくすることが好ましい。一般に、年間10回程度の起動停止回数をもつガスタービンの場合であれば、年間50時間耐熱エヤのフィルタ使用となるため、おおむねガスタービンの定期メンテナンススパンである2年間の使用時間である、100時間以上のフィルタ容量となるように選定すればよい。このようなフィルタ個数は発電所のメンテナンス、運転コストに比べて、十分合理的な建設コストとなる。
In addition, about the said filter
図2は、本発明に適合する例の1つである石炭ガス化複合発電システム(IGCC設備)を示すものである。この例においては、ガスタービン1では、ガス精製装置つきの石炭ガス化炉12から発生した高圧の石炭ガス化燃料ガスを、空気圧縮機2で圧縮した空気を用いて燃焼器3で燃焼させる一方、高温の排気ガスの顕熱を用いて、排熱回収ボイラ4で発生させた蒸気を用いて蒸気タービン5で発電用エネルギーを回収している。
FIG. 2 shows an integrated coal gasification combined power generation system (IGCC facility) which is one of the examples suitable for the present invention. In this example, in the
そして、この設備を用いたガスタービン設備の起動運転に当たっては、排熱回収ボイラ4内等で生成した粉じんやフレークを流出させないようにするために、排気ガス経路7内に設置した流路切替用ダンパー8を切替え(この場合、閉止し)、バイパス経路7bのフィルター式集塵機9に排気ガスを流して、一定時間(5時間)除塵を行なった。そして、下記のように充分な除塵が行われ、粉じん発生が少なくなった段階(5時間経過後)で、前記流動切替用ダンパー8を開放して、排気ガスのバイパス運用を終え、メイン経路7aに切替えを行なった。
In starting operation of the gas turbine equipment using this equipment, in order to prevent the dust and flakes generated in the exhaust heat recovery boiler 4 and the like from flowing out, the flow path switching installed in the
即ち、図示例に係るガスタービン設備(発電出力:150MW)において、排気ガス量:100万m3/h(Normal)、排気ガス温度(排熱回収ボイラ4の出口温度):130℃、起動時の流路切替用ダンパ8入側での粉じん濃度:1mg/m3(Normal)の条件下での起動時運転を実施した。そして、バイパス経路7b中に設置したフィルタ集塵機は進和テック製の250℃耐熱のフィルタ(集塵率は比色法での平均捕集率で60%のもの)を200基並列に設置(1段)した。この条件の下で、5時間の起動運転を行なった後では、排気ガス経路の出口(煙突10)側での粉じん濃度は、0.01mg/m3(Normal)以下の実質的に粉じんを含まないガスを排気することができた。
That is, in the gas turbine facility (power generation output: 150 MW) according to the illustrated example, the exhaust gas amount: 1 million m 3 / h (Normal), the exhaust gas temperature (the outlet temperature of the exhaust heat recovery boiler 4): 130 ° C., at the time of startup The start-up operation was performed under the condition of the dust concentration on the inlet side of the flow path switching damper 8 of 1 mg / m 3 (Normal). The filter dust collector installed in the
本発明に係るガスタービンの起動時運転の方法やガスタービンの排気ガス経路装置は、実施例における各種のガスタービン設備の他、一軸、二軸の各種タービンにおける出側の排気ガス中に主として粉じんやフレークを含むような場合の総てのタービン設備に応用できる。 The gas turbine start-up operation method and the gas turbine exhaust gas path apparatus according to the present invention mainly include dust in the exhaust gas on the outlet side in various uniaxial and biaxial turbines in addition to various gas turbine equipment in the embodiments. It can be applied to all turbine equipments that contain flakes and flakes.
1 ガスタービン
2 圧縮器
3 燃焼器
4 排熱回収ボイラ
5 蒸気タービン
7 排気ガス経路
7a メイン経路
7b バイパス経路
8 流路切替用ダンパ
9 フィルタ式集塵機
10 煙突
11、11´ 粉じん濃度計
12 石炭ガス化炉
G 発電機
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