JP2020051419A - ガスタービン装置、ガスタービン設備およびガス化設備ならびにガスタービン装置の運転方法 - Google Patents

ガスタービン装置、ガスタービン設備およびガス化設備ならびにガスタービン装置の運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料ガスの顕熱を所定値まで上昇させることでガスタービンの効率を向上させることができるガスタービン装置を提供する。【解決手段】ガスタービン装置７は、天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスを４００℃以上に加熱する燃料ガス加熱器８０と、燃料ガス加熱器８０によって加熱された燃料ガスが供給される燃焼器６２と、燃焼器６２から供給される燃焼ガスによって駆動されるガスタービン６３と、を備えている。燃料ガス加熱器８０は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱部を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン装置、ガスタービン設備およびガス化設備ならびにガスタービン装置の運転方法に関するものである。
石炭等の炭素含有固体燃料をガス化炉内に供給し、炭素含有固体燃料を部分燃焼させてガス化することで、可燃性ガスを生成するガス化設備が知られている。
下記特許文献１には、ガス化炉で生成された後にガススクラバによって精製された燃料ガスを、燃料ガス蒸気発生器によって加熱した後にガスタービン燃焼器に供給することが開示されている。
特開昭５８−４８７０５号公報
特許文献１に開示された技術は、燃料ガス蒸気発生器によって燃料ガスを加熱することによって燃料ガスの顕熱を上昇させることでガスタービン装置の効率を向上させることができる。しかし、同文献の図１から明らかなように、燃料ガス蒸気発生器の下流側の低温領域で燃料ガスを加熱しているため、効果的な温度上昇が期待できない。特に、ガス化炉にて精製された燃料ガスは、天然ガスよりも単位体積当たりの発熱量が小さいので、燃料ガスの温度上昇が十分でない場合、燃焼器でより効率が良い燃焼を行うことできず、ガスタービン装置の効率向上を実現することができないおそれがある。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスの顕熱を上昇させることでガスタービン装置の効率を向上させることができるガスタービン装置、ガスタービン設備およびガス化設備ならびにガスタービン装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係るガスタービン装置は、天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスを４００℃以上に加熱する燃料ガス加熱器と、前記燃料ガス加熱器によって加熱された燃料ガスが供給される燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、を備えている。
燃料ガス加熱器によって燃料ガスを４００℃以上に加熱することした。これにより、燃料ガスの発熱量が天然ガスよりも小さくても燃料ガスの顕熱を増大させることによって燃焼器において所望の燃焼を行うことができ、ガスタービンの効率を増大することができる。
天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスとしては、例えば、炭素含有固体燃料をガス化した生成ガスや、高炉から排出された高炉ガス（ＢＦＧ）が挙げられる。天然ガスの発熱量は、一般的には、約４０，０００〜５０，０００ｋＪ／Ｎｍ３（高位発熱量）とされている。
燃料ガスの加熱温度としては、４００℃以上７００℃以下とされ、より好ましくは５５０℃以上６５０℃以下、さらに好ましくは６００℃程度とされる。
特に、燃焼器に供給される空気量に対して燃料ガスの供給量（重量ベース）が１０分の１以上、より好ましくは５分の１以上とされている場合に、燃料ガスの顕熱上昇の効果が有意となるので好ましい。これに対して、ガスタービンの燃焼器に供給される空気量に対する天然ガスの供給量は５０分の１とされる。
さらに、本開示の一態様に係るガスタービン装置では、前記燃料ガス加熱器は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱部を備えている。
燃料ガス加熱器は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱部を備えているので、適切な温度域で加熱を行うことができる。これにより、天然ガスよりも発熱量が小さいため多くの流量を流す必要がある燃料ガスであっても効率的に所望温度まで加熱することができる。
さらに、本開示の一態様に係るガスタービン装置では、前記燃焼器に供給される燃料ガスの温度を調整する温度調整器と、前記温度調整器を制御する制御部と、を備えている。
燃焼器に供給される燃料ガスの温度を調整することによって、ガスタービンの要求負荷に対応させることができる。
さらに、本開示の一態様に係るガスタービン装置では、前記温度調整器は、前記燃料ガス加熱器の上流側の燃料ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
燃料ガス加熱器の上流側の燃料ガスと、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合部で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、温度調整用媒体を別途用意することなく簡便な構成によって温度調整を実現することができる。
さらに、本開示の一態様に係るガスタービン装置では、前記温度調整器は、前記燃料ガス加熱器を加熱する加熱ガスの流量を調整する流量調整部を備えている。
流量調整部によって燃料ガス加熱器を加熱する加熱ガスの流量を調整することで、燃料ガスの温度を調整することができる。これにより、蒸気等の加熱媒体を燃料ガスに混合させずに加熱することができる。
加熱ガスとしては、例えば、排熱回収ボイラ内を流れるガスタービンの排ガスや、ガス化炉にてガス化された生成ガスが挙げられる。
流量調整部としては、例えば、加熱ガスが流れる流路に設けられたダンパが挙げられる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、を備え、前記温度調整器は、前記排熱回収ボイラから導かれた水または蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
排熱回収ボイラから導かれた水または蒸気と、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合器で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、排熱回収ボイラを備えているガスタービン設備であれば容易に得られる所望圧力及び温度の水や蒸気を、簡便に利用することができる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラから供給された蒸気によって駆動される蒸気タービン装置と、を備え、前記温度調整器は、前記蒸気タービン装置から導かれた蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
蒸気タービン装置から導かれた水または蒸気と、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合器で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、蒸気タービン装置を備えているガスタービン設備であれば容易に得られる所望圧力及び温度の蒸気を、簡便に利用することができる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、前記生成ガス冷却器から導かれた生成ガスを精製するガス精製設備と、を備え、前記温度調整器は、前記ガス精製設備にて冷却された生成ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
ガス精製設備にて冷却された生成ガスと、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合器で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、ガス化設備であれば備えているガス精製設備で冷却された生成ガスを用いて効果的に温度調整を行うことができる。例えば、ガス精製設備のＨ２Ｓ吸収塔で冷却された生成ガス（約４０℃以下）を用いることができる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉に供給する酸素と窒素を分離する空気分離装置と、を備え、前記温度調整器は、前記空気分離装置にて製造された窒素ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
空気分離装置で製造された窒素ガスと、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合器で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、ガス化設備であれば備えている空気分離装置で製造された窒素ガスを用いて効果的に温度調整を行うことができる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記のガスタービン装置と、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、を備え、前記温度調整器は、前記生成ガス冷却器から導かれた水または蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている。
生成ガス冷却器から導かれた水または蒸気と、燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合器で混合することによって燃料ガスの温度調整が行われる。これにより、生成ガス冷却器を備えているガスタービン設備であれば容易に得られる所望圧力及び温度の蒸気を、簡便に利用することができる。
また、本開示の一態様に係るガスタービン設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、を備え、前記燃料ガス加熱器は、前記排熱回収ボイラに設けられている。
ガスタービン設備であれば排熱回収ボイラを備えているので、排熱回収ボイラに燃料ガス加熱器を設けることで、排熱回収ボイラによって駆動される蒸気タービン装置よりも高効率であるガスタービン装置にて熱回収することができる。
また、本開示の一態様に係るガス化設備は、上記に記載のガスタービン設備と、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、を備え、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気を、前記生成ガス冷却器に導く蒸気導入経路が設けられている。
排熱回収ボイラで燃料ガスを加熱することとすると、排熱回収ボイラで生成された蒸気が所望の温度及び圧力に到達しないおそれがある。そこで、蒸気導入経路によって排熱回収ボイラで生成された蒸気を生成ガス冷却器に導き、生成ガス冷却器にて最終的に過熱蒸気を生成することとした。これにより、排熱回収ボイラで燃料ガスを加熱した場合であっても、所望の温度及び圧力の過熱蒸気を得ることができる。
また、本開示の一態様に係るガス化設備は、上記に記載のガスタービン装置と、前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、を備え、前記燃料ガス加熱器は、前記生成ガス冷却器に設けられている。
ガス化設備であれば生成ガス冷却器を備えているので、生成ガス冷却器に燃料ガス加熱器を設けることで、生成ガス冷却器で加熱された蒸気によって駆動される蒸気タービン装置よりも高効率であるガスタービン装置に熱回収することができる。
また、本発明の一態様に係るガスタービン装置の運転方法は、天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスを４００℃以上に加熱する工程と、加熱された前記燃料ガスを燃焼器に供給する工程と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによってガスタービンを駆動する工程と、を有している。
燃料ガス加熱器によって燃料ガスを４００℃以上に加熱することとしたので、燃料ガスの発熱量が天然ガスよりも小さくても燃料ガスの顕熱を増大させることによって、ガスタービン装置の効率を増大させることができる。
第１実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。 排熱回収ボイラの各熱交換器の配置を示した模式図である。 図２の変形例を示した模式図である。 図１の変形例を示した概略構成図である。 第２実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。 シンガスクーラの概略構成を示した模式図である。 燃料ガス加熱器の温度調整を示した概略構成図である。 図７の変形例を示した概略構成図である。 第３実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備の燃料ガス加熱器を示した概略構成図である。
［第１実施形態］
以下に、本開示に係る第１実施形態について、図面を参照して説明する。
［石炭ガス化複合発電設備の全体構成］
図１には、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備の概略構成が示されている。
石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated Coal Gasification Combined Cycle）１は、ガス化炉設備３を備えている。ガス化炉設備３は、空気を酸化剤として用いており、石炭等の炭素含有固体燃料から可燃性ガス（生成ガス）を生成する空気燃焼方式を採用している。石炭ガス化複合発電設備１は、ガス化炉設備３で生成した生成ガスを、ガス精製設備５で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン装置７に供給して発電を行っている。すなわち、石炭ガス化複合発電設備１は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。なお、本実施形態では空気吹きとして説明するが、酸素吹きとしても良い。ガス化炉設備３に供給する炭素含有固体燃料としては、例えば石炭が用いられる。
石炭ガス化複合発電設備１は、給炭設備９と、ガス化炉設備３と、チャー回収設備１１と、ガス精製設備５と、ガスタービン装置７と、蒸気タービン装置１８と、発電機１９と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generator）２０とを備えている。
給炭設備９は、原炭として炭素含有固体燃料である石炭が給炭バンカから供給され、石炭を石炭ミルで粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。石炭ミルで製造された微粉炭は、各微粉炭ホッパ１４から給炭ライン１５を経て、空気分離設備４２から供給される搬送用イナートガスとしての窒素ガスによって加圧されて、ガス化炉設備３へ向けて供給される。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５％以下に制限されるものではない。
ガス化炉設備３は、給炭設備９で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収設備１１で回収されたチャー（石炭の未反応分と灰分）が戻されて再利用可能に供給されている。
ガス化炉設備３には、ガスタービン装置７（圧縮機６１）からの圧縮空気供給ライン４１が接続されており、ガスタービン装置７で圧縮された圧縮空気の一部が昇圧機６８で所定圧力に昇圧されてガス化炉（ガス化部）１６に供給可能となっている。空気分離設備４２は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ライン４３によって空気分離設備４２とガス化炉設備３とが接続されている。そして、この第１窒素供給ライン４３には、給炭設備９からの給炭ライン１５が接続されている。また、第１窒素供給ライン４３から分岐する第２窒素供給ライン４５もガス化炉設備３に接続されており、この第２窒素供給ライン４５には、チャー回収設備１１からのチャー戻しライン４６が接続されている。更に、空気分離設備４２は、酸素供給ライン４７によって、圧縮空気供給ライン４１と接続されている。そして、空気分離設備４２によって分離された窒素は、第１窒素供給ライン４３及び第２窒素供給ライン４５を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離設備４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７及び圧縮空気供給ライン４１を流通することで、ガス化炉設備３において酸化剤として利用される。
ガス化炉設備３は、例えば、２段噴流床形式のガス化炉１６を備えている。ガス化炉設備３は、内部に供給された石炭（微粉炭）およびチャーを酸化剤（空気、酸素）により部分燃焼させることでガス化させ生成ガスとする。ガス化炉１６内は加圧状態とされ、例えば、３〜４ＭＰａ（ゲージ圧）とされている。
バーナ３０，３１は、上下二段に設けられている。下方のバーナ３０に相当する位置には、コンバスタ部３２が設けられており、微粉炭の一部を燃焼させることでガス化のための熱を供給する。上方のバーナ３１に相当する位置には、リダクタ部３３が設けられ、微粉炭をガス化する。
リダクタ部３３の下流側には、シンガスクーラ３５（生成ガス冷却器）が設けられており、生成ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収設備１１に供給する。シンガスクーラ３５では蒸気が生成され、生成後の蒸気は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２０へと導かれる。
ガス化炉設備３には、チャー回収設備１１に向けて生成ガスを供給する生成ガスライン４９が接続されており、チャーを含む生成ガスが排出可能となっている。
チャー回収設備１１は、集塵設備５１と供給ホッパ５２とを備えている。この場合、集塵設備５１は、１つまたは複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉設備３で生成された生成ガスに含有するチャーを分離することができる。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。供給ホッパ５２は、集塵設備５１で生成ガスから分離されたチャーを貯留するものである。集塵設備５１と供給ホッパ５２との間には、チャービン５４が配置されている。チャービン５４に対して、複数の供給ホッパ５２が接続されている。供給ホッパ５２からのチャー戻しライン４６が第２窒素供給ライン４５に接続されている。
ガス精製設備５は、チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。
ガス精製設備５は、生成ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン装置７に供給する。チャーが分離された生成ガス中にはまだ硫黄分（Ｈ２Ｓなど）が含まれているため、ガス精製設備５では、アミン吸収液などによって硫黄分を除去回収して、有効利用する。
具体的には、ＣＯＳ変換器２１、スクラバ２２、冷却洗浄塔２３を経た後に、Ｈ２Ｓ吸収塔２４に導かれてＨ２Ｓが吸収される。Ｈ２Ｓ吸収塔２４でＨ２Ｓを吸収した吸収液は、吸収液再生塔２５で再生されるとともに、Ｈ２Ｓ吸収塔２４へ返送される。Ｈ２Ｓ吸収塔２４で吸収液から分離されたＨ２Ｓガスは、オフガス燃焼炉２６にて焼却処理された後に、排煙脱硫装置２７へと導かれる。
ガスタービン装置７は、圧縮機６１、燃焼器６２、ガスタービン６３を備えており、圧縮機６１とガスタービン６３とは、回転軸６４により連結されている。燃焼器６２には、圧縮機６１からの圧縮空気供給ライン６５が接続されると共に、ガス精製設備５から燃料ガス供給ライン６６が接続されている。燃料ガス供給ライン６６は、途中位置に燃料ガス加熱器８０を備えている。燃料ガス加熱器８０は、排熱回収ボイラ２０の一部に設けられている。
燃焼器６２とガスタービン６３との間には、燃焼ガス供給ライン６７が接続されている。ガスタービン装置７は、圧縮機６１からガス化炉設備３に延びる圧縮空気供給ライン４１が設けられており、中途部に昇圧機６８が設けられている。従って、燃焼器６２では、圧縮機６１から供給された圧縮空気の一部とガス精製設備５から供給された燃料ガスの少なくとも一部とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをガスタービン６３へ向けて供給する。そして、ガスタービン６３は、供給された燃焼ガスにより回転軸６４を回転駆動させることで発電機１９を回転駆動させる。
蒸気タービン装置１８は、ガスタービン装置７の回転軸６４に連結される蒸気タービン６９を備えている。蒸気タービン６９の下流には、復水器７２が接続されている。発電機１９は、回転軸６４の基端部に連結されている。排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン６３からの排ガスライン７０が接続されており、復水器７２から導かれた給水とガスタービン６３の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ２０は、蒸気タービン装置１８との間に蒸気供給ライン７１が設けられている。また、排熱回収ボイラ２０で生成する蒸気には、ガス化炉１６のシンガスクーラ（ＳＧＣ）３５で生成ガスと熱交換して生成された蒸気を含んでいる。従って、蒸気タービン装置１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気により蒸気タービン６９が回転駆動され、回転軸６４を回転させることで発電機１９を回転駆動させる。
排熱回収ボイラ２０の出口には、煙突７５が接続されており、燃焼ガスが大気へと放出される。なお、排熱回収ボイラ２０の出口に、ガス浄化設備を設けても良い。
［石炭ガス化複合発電設備の動作］
次に、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１の動作について説明する。
本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１において、給炭設備９に原炭（石炭）が供給されると、石炭は、給炭設備９において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。給炭設備９で製造された微粉炭は、空気分離設備４２から供給される窒素により第１窒素供給ライン４３を流通してガス化炉設備３に供給される。また、後述するチャー回収設備１１で回収されたチャーが、空気分離設備４２から供給される窒素により第２窒素供給ライン４５を流通してガス化炉設備３に供給される。更に、後述するガスタービン装置７から抽気された圧縮空気が昇圧機６８で昇圧された後、空気分離設備４２から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン４１を通してガス化炉設備３に供給される。
ガス化炉設備３では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気（酸素）により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、生成ガスを生成する。そして、この生成ガスは、ガス化炉設備３から生成ガスライン４９を通って排出され、チャー回収設備１１に送られる。
このチャー回収設備１１にて、生成ガスは、まず、集塵設備５１に供給されることで、生成ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン５３を通してガス精製設備５に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒のチャーは、供給ホッパ５２に堆積され、チャー戻しライン４６を通ってガス化炉設備３に戻されてリサイクルされる。
チャー回収設備１１によりチャーが分離された生成ガスは、ガス精製設備５にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。精製された燃料ガスは、排熱回収ボイラ２０に設けた燃料ガス加熱器８０によって加熱される。このとき、燃料ガスは、例えば３００℃から６００℃まで加熱される。
圧縮機６１は、圧縮空気を生成して燃焼器６２に供給する。この燃焼器６２は、圧縮機６１から供給される圧縮空気と、燃料ガス加熱器８０によって加熱された後の燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりガスタービン６３を回転駆動することで、回転軸６４を介して圧縮機６１及び発電機１９を回転駆動する。このようにして、ガスタービン装置７は発電を行うことができる。
排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン６３から排出された排ガスと、復水器７２から供給された給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン装置１８に供給する。蒸気タービン装置１８では、排熱回収ボイラ２０から供給された蒸気により回転駆動されることで、回転軸６４を介して発電機１９を回転駆動し、発電を行うことができる。
なお、ガスタービン装置７と蒸気タービン装置１８は同一軸として１つの発電機１９を回転駆動しなくてもよく、別の軸として複数の発電機を回転駆動しても良い。
図２には、排熱回収ボイラ２０に設けられた各熱交換器の配置が示されている。同図において、ガスタービン６３から導かれた排ガス（ＧＴ排ガス）は、下方から上方へと流れる。排熱回収ボイラ２０は、下方（ＧＴ排ガスの上流側）から順に、過熱器及び再熱器８２，８３、蒸発器８４及び節炭器８５を備えている。
燃料ガス加熱器８０は、燃料ガスの流れ方向の上流側から順に、同図の場合では上方から下方に向かって、一次燃料加熱器８０ａと、二次燃料加熱器８０ｂと、三次燃料加熱器８０ｃとを備えている。一次燃料加熱器８０ａは、蒸発器８４とＧＴ排ガス流れの下流側の過熱器及び再熱器８３との間に設けられている。二次燃料加熱器８０ｂは、ＧＴ排ガス流れの下流側の過熱器及び再熱器８３とＧＴ排ガス流れの上流側の過熱器及び再熱器８２との間に設けられている。三次燃料加熱器８０ｃは、ＧＴ排ガス流れの上流側の過熱器及び再熱器８２よりもＧＴ排ガス流れの上流側（同図において下側）に設けられている。
燃料ガス加熱器８０は、各加熱器８０ａ，８０ｂ，８０ｃが直列に配置されているので、一次から三次まで加熱を順次行うようになっている。これにより、燃料ガスは、３００℃から６００℃まで加熱される。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
燃料ガス加熱器８０によって燃料ガスを６００℃（４００℃以上）に加熱することした。これにより、燃料ガスの発熱量が天然ガスよりも小さくても燃料ガスの顕熱を増大させることによって燃焼器６２において所望の燃焼を行うことができ、ガスタービン装置７の効率を増大することができる。
また、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１では、燃焼器６２に供給される空気量に対して燃料ガスの供給量（重量ベース）が１０分の１以上、より好ましくは５分の１以上とされているので、燃料ガスの顕熱上昇の効果が有意となるので好ましい。これに対して、天然ガス焚きのガスタービン装置では、燃焼器に供給される空気量に対する天然ガスの供給量は５０分の１とされる。
燃料ガス加熱器８０は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱器８０ａ，８０ｂ，８０ｃを備えているので、適切な温度域で加熱を行うことができる。これにより、天然ガスよりも発熱量が小さいため多くの流量を流す必要がある燃料ガスであっても効率的に所望温度まで加熱することができる。
ガスタービン設備であれば排熱回収ボイラ２０を備えているので、排熱回収ボイラ２０に燃料ガス加熱器８０を設けることにより、多くの構成機器を増やす必要がない。排熱回収ボイラ２０によって駆動される蒸気タービン装置１８よりも高効率であるガスタービン装置７にて熱回収することができるので、石炭ガス化複合発電設備１として効率を向上させることができる。
＜変形例１＞
本実施形態では、燃料ガス加熱器８０として３つの燃料加熱器８０ａ，８０ｂ，８０ｃを設けることとしたが、燃料加熱器の個数については限定されるものではない。例えば、図３に示すように、二次燃料加熱器８０ｂを省略して、一次燃料加熱器８０ａ及び三次燃料加熱器８０ｃの２つとしても良い。燃料加熱器の個数は、燃料ガスの加熱温度や流量等によって適宜設定される。
＜変形例２＞
本実施形態では、図１に示したように、排熱回収ボイラ２０で生成した蒸気を蒸気タービン装置１８へと供給していた。これに対して、図４に示すように、排熱回収ボイラ２０で生成した蒸気を、蒸気導入経路８１を介して、シンガスクーラ３５へ供給するようにしても良い。シンガスクーラ３５にて最終的に過熱された蒸気は、蒸気タービン装置（ＳＴ）１８に供給される。なお、シンガスクーラ３５の上流側には、排熱回収ボイラ２０にて復水を加熱した給水が導かれるようになっている。
燃料ガス加熱器８０を排熱回収ボイラ２０に設けて燃料ガスを加熱することとすると、排熱回収ボイラ２０で生成された蒸気が所望の温度及び圧力に到達しないおそれがある。そこで、蒸気導入経路８１によって排熱回収ボイラ２０で生成された蒸気をシンガスクーラ３５に導き、シンガスクーラ３５にて最終的に過熱蒸気を生成することとした。これにより、排熱回収ボイラ２０で燃料ガスを加熱した場合であっても、所望の温度及び圧力の過熱蒸気を得ることができる。
［第２実施形態］
次に、本開示に係る第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態では燃料ガスを排熱回収ボイラ２０にて加熱したのに対して、シンガスクーラ３５で燃料ガスを加熱する点で相違する。したがって、以下の説明では、第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し、相違する構成について説明することとする。
図５に示すように、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備１では、ガス精製設備５にて精製された燃料ガスは、シンガスクーラ３５へと供給されるようになっている。すなわち、シンガスクーラ３５の一部は、燃料ガス加熱器３６として用いられる。燃料ガス加熱器３６では、燃料ガスが３００℃から６００℃まで加熱される。燃料ガス加熱器３６にて加熱された燃焼ガスは、燃焼器６２へと導かれる。
図６には、シンガスクーラ３５を構成する熱交換器の配置の概略構成が示されている。シンガスクーラ３５は、ガス化炉１６にて生成された燃料ガスの流れの上流側（同図において下方）から順に、蒸発器又は過熱器９３と、節炭器又は蒸発器９４とを備えている。
燃料ガス加熱器３６は、蒸発器又は過熱器９３と節炭器又は蒸発器９４との間に設けられている。燃料ガス加熱器３６は、ガス精製設備５にて精製された燃料ガスの流れの上流側から順に、一次燃料加熱器３６ａと、二次燃料加熱器３６ｂとを備えている。各燃料加熱器３６ａ，３６ｂは、複数の熱交換器が並列となるように構成されていても良い。この場合、各燃料加熱器３６ａ，３６ｂにおける熱交換器の個数は、加熱する燃料ガスの流量や加熱温度に応じて決定されるが、本実施形態のように熱交換器を並列に接続することで、大流量の燃料ガスにも対応できるようになっている。なお、一次燃料加熱器３６ａに設ける熱交換器の個数よりも二次燃料加熱器３６ｂの方を多くすることが好ましい。燃料ガスの温度上昇による体積流量の増大に対応するためである。
次に、図７を用いて、燃料ガスの温度調整について説明する。
一次燃料加熱器３６ａと二次燃料加熱器３６ｂとの間の燃料ガス配管には、混合器（混合部）３７が設けられている。混合器３７と一次燃料加熱器３６ａの上流側との間には、温度調整用配管３８が設けられている。温度調整用配管３８によって、一次燃料加熱器３６ａによって加熱する前の燃料ガスが混合器３７に導かれるようになっている。
温度調整用配管３８には、流量調整弁（温度調整器）３９が設けられている。流量調整弁３９は、制御部によって開度が調整されるようになっている。具体的には、二次燃料加熱器３６ｂの出口側の配管に設けた温度センサ４０の出力に応じて、制御部が流量調整弁３９の開度を制御する。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
制御部は、燃料ガスの加熱後の目標温度（例えば６００℃）から所定温度以上となった場合には、流量調整弁３９の開度を増大させることによって、一次燃料加熱器３６ａの上流側から混合器３７に供給される燃料ガスの流量を増大させる。一方、燃料ガスの加熱後の目標温度（例えば６００℃）から所定温度以下となった場合には、流量調整弁３９の開度を減少させる。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
燃料ガス加熱器３６によって燃料ガスを６００℃（４００℃以上）に加熱することとした。これにより、燃料ガスの単位体積当たりの発熱量が天然ガスよりも小さくても燃料ガスの顕熱を増大させることによって燃焼器６２において所望の燃焼を行うことができ、ガスタービン装置７の効率を増大することができる。
また、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備１では、燃焼器６２に供給される空気量に対して燃料ガスの供給量（重量ベース）が１０分の１以上、より好ましくは５分の１以上とされているので、燃料ガスの顕熱上昇の効果が有意となるので好ましい。これに対して、天然ガス焚きのガスタービン装置では、燃焼器に供給される空気量に対する天然ガスの供給量は５０分の１とされる。
燃料ガス加熱器３６は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱器３６ａ，３６ｂを備えているので、適切な温度域で加熱を行うことができる。これにより、天然ガスよりも発熱量が小さいため多くの流量を流す必要がある燃料ガスであっても効率的に所望温度まで加熱することができる。
温度調整用配管３８に設けた流量調整弁３９によって燃焼器６２に供給される燃料ガスの温度を調整することとしたので、ガスタービン装置７の要求負荷に対応させることができる。
一次燃料加熱器３６ａの上流側の燃料ガスと、一次燃料加熱器３６ａの下流側の燃料ガスとを混合器３７で混合することによって燃料ガスの温度調整を行うこととした。これにより、温度調整用媒体を別途用意することなく簡便な構成によって温度調整を実現することができる。
なお、本実施形態では、一次燃料加熱器３６ａの上流側の燃料ガスを用いて混合器３７にて温度調整することとしたが、これと共に或いはこれに代えて、以下のように変形することもできる。
＜排熱回収ボイラ２０及び／又はシンガスクーラ３５からの水または蒸気＞
排熱回収ボイラ２０から導かれた水または蒸気を混合器３７に導くようにしても良い。これにより、排熱回収ボイラ２０を備えているガスタービン設備であれば容易に得られる所望圧力及び温度の水や蒸気を、簡便に利用することができる。
また、シンガスクーラ３５から導かれた水または蒸気を混合器３７に導くようにしても良い。
＜蒸気タービン装置１８からの蒸気＞
蒸気タービン装置１８から導かれた蒸気を混合器３７に導くようにしても良い。これにより、ガスタービン設備と蒸気タービン装置１８を有するコンバインドサイクル装置であれば容易に得られる所望圧力及び温度の蒸気を、簡便に利用することができる。例えば、蒸気タービン装置が２圧式又は３圧式の場合には高圧タービンの排気蒸気を用いることができる。
＜ガス精製設備で冷却された生成ガス＞
ガス精製設備５で冷却された生成ガスを混合器３７に導くようにしても良い。これにより、ガス化設備であれば備えているガス精製設備５で冷却された生成ガスを用いて効果的に温度調整を行うことができる。例えば、ガス精製設備５のＨ２Ｓ吸収塔２４で冷却された生成ガス（約４０℃以下）を用いることができる。
＜空気分離設備４２によって製造された窒素ガス＞
空気分離設備４２によって製造された窒素を混合器３７に導くようにしても良い。これにより、ガス化設備であれば備えている空気分離設備４２で製造された窒素ガスを用いて効果的に温度調整を行うことができる。
＜その他の変形例＞
本実施形態では、図７に示したように、混合器３７を一次燃料加熱器３６ａと二次燃料加熱器３６ｂとの間に設置したが、図８に示すように、二次燃料加熱器３６ｂの下流側に混合器３７を設置するようにしても良い。また、図７と図８の構成を組み合わせて、混合器３７を、一次燃料加熱器３６ａと二次燃料加熱器３６ｂとの間と、二次燃料加熱器３６ｂの下流側とに設置し、混合器３７を直列に２つ設けても良い。
また、図７及び図８に破線にて示したように、一次燃料加熱器３６ａと二次燃料加熱器３６ｂとの間に、他の熱交換器９７を設けても良い。この熱交換器９７は、例えば、シンガスクーラ３５の一部を構成する。
［第３実施形態］
次に、本開示に係る第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態では混合器３７を用いて燃料ガスの温度調整を行ったのに対して、ＧＴ排ガスや生成ガスの流量調整によって燃料ガスの温度調整を行う点で相違する。したがって、以下の説明では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成については同一符号を付し、相違する構成について説明することとする。
図９に示すように、ＧＴ排ガス（加熱ガス）が流れる排熱回収ボイラ２０内に、燃料ガス加熱器８０が設けられている。排熱回収ボイラ２０内には、ＧＴ排ガスの流れを幅方向において２分するように略中央に隔壁９０が設けられている。隔壁９０によって隔てられた一方の流路には燃料ガス加熱器８０が設けられ、他方の流路には過熱器及び再熱器８２，８３、蒸発器８４及び節炭器８５等の蒸気発生器９１が設けられている。
燃料ガス加熱器８０及び蒸気発生器９１のＧＴ排ガス流れの下流側には、複数のダンパ（流量調整部）９２が設けられている。各ダンパ９２は、流路の幅方向にわたって設けられている。各ダンパ９２には、それぞれアクチュエータが設けられており、回動角度が調整できるようになっている。各アクチュエータは、図示しない制御部によって制御される。制御部は、燃料ガス加熱器８０の下流側に設けられ、燃料ガスの温度を計測する温度センサ９５の計測値に基づいて各アクチュエータを制御する。
制御部は、温度センサ９５の計測値が設定値よりも小さい場合は、燃料ガス加熱器８０の下流側に位置するダンパ９２の開度を大きくし、場合によっては全開とする。これにより、多くのＧＴ排ガス流量を燃料ガス加熱器８０へ流して加熱量を増大する。このとき、蒸気発生器９１の下流側に位置するダンパ９２の開度を小さくし、場合によっては全閉としても良い。
一方、制御部は、温度センサ９５の計測値が設定値よりも大きい場合は、燃料ガス加熱器８０の下流側に位置するダンパ９２の開度を小さくし、場合によっては全閉とする。これにより、より少量のＧＴ排ガスを燃料ガス加熱器８０へ流して加熱量を減少させる。このとき、蒸気発生器９１の下流側に位置するダンパ９２の開度を大きくし、場合によっては全開としても良い。
本実施形態によれば、ＧＴ排ガスが流れる流路にダンパ９２を設定することによって燃料ガス加熱器８０を加熱するＧＴ排ガスの流量を調整することとしたので、燃料ガスの温度を適切に調整することができる。これにより、蒸気等の加熱媒体を燃料ガスに混合させずに加熱することができる。
なお、本実施形態では、ダンパ９２を燃料ガス加熱器８０の下流に配置したが、燃料ガス加熱器８０の上流側に配置しても良いし、上流側と下流側の両方に配置しても良い。
また、ＧＴ排ガスが流れる排熱回収ボイラ２０への適用について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、第２実施形態に示したようにシンガスクーラ３５の一部として燃料ガス加熱器３６を設けた場合にも適用することができる。この場合には、シンガスクーラ３５の上流側及び／又は下流側に複数のダンパが設けられる。
また、上述した第１乃至第３実施形態では、燃料ガスの加熱後の目標温度を６００℃として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、４００℃以上であれば良く、より具体的には４００℃以上７００℃以下、あるいは５５０℃以上６５０℃以下であっても良い。
また、上述した各実施形態では、ガスタービン装置７の燃焼器６２へ導く燃料ガスとしてガス化炉１６にて生成された燃料ガスを一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば燃料ガスとして天然ガスよりも単位体積当たりの発熱量が小さい高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）やその他の副生ガスを用いる場合であっても適用することができる。
１ 石炭ガス化複合発電設備
３ ガス化炉設備
５ ガス精製設備
７ ガスタービン装置
１６ ガス化炉
１８ 蒸気タービン装置
２０ 排熱回収ボイラ
２４ Ｈ２Ｓ吸収塔
３５ シンガスクーラ（生成ガス冷却器）
３６ 燃料ガス加熱器
３６ａ 一次燃料加熱器
３６ｂ 二次燃料加熱器
３７ 混合器（混合部）
３８ 温度調整用配管
３９ 流量調整弁（温度調整器）
４２ 空気分離設備
６１ 圧縮機
６２ 燃焼器
６３ ガスタービン
６５ 圧縮空気供給ライン
６６ 燃料ガス供給ライン
６７ 燃焼ガス供給ライン
６９ 蒸気タービン
７０ 排ガスライン
７１ 蒸気供給ライン
８０ 燃料ガス加熱器
８０ａ 一次燃料加熱器
８０ｂ 二次燃料加熱器
８０ｃ 三次燃料加熱器
８１ 蒸気導入経路
９２ ダンパ（流量調整部）

Claims (14)

  1. 天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスを４００℃以上に加熱する燃料ガス加熱器と、
    前記燃料ガス加熱器によって加熱された燃料ガスが供給される燃焼器と、
    前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、
    を備えているガスタービン装置。
  2. 前記燃料ガス加熱器は、燃料ガス流れに対して直列に接続された複数の加熱部を備えている請求項１に記載のガスタービン装置。
  3. 前記燃焼器に供給される燃料ガスの温度を調整する温度調整器と、
    前記温度調整器を制御する制御部と、
    を備えている請求項１又は２に記載のガスタービン装置。
  4. 前記温度調整器は、前記燃料ガス加熱器の上流側の燃料ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えている請求項３に記載のガスタービン装置。
  5. 前記温度調整器は、前記燃料ガス加熱器を加熱する加熱ガスの流量を調整する流量調整部を備えている請求項３に記載のガスタービン装置。
  6. 請求項３に記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    を備え、
    前記温度調整器は、前記排熱回収ボイラから導かれた水または蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えているガスタービン設備。
  7. 請求項３に記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラから供給された蒸気によって駆動される蒸気タービン装置と、
    を備え、
    前記温度調整器は、前記蒸気タービン装置から導かれた蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えているガスタービン設備。
  8. 請求項３に記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
    前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、
    前記生成ガス冷却器から導かれた生成ガスを精製するガス精製設備と、
    を備え、
    前記温度調整器は、前記ガス精製設備にて冷却された生成ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えているガス化設備。
  9. 請求項３に記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
    前記ガス化炉に供給する酸素と窒素を分離する空気分離装置と、
    を備え、
    前記温度調整器は、前記空気分離装置にて製造された窒素ガスと、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えているガス化設備。
  10. 請求項３に記載のガスタービン装置と、
    炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
    前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、
    を備え、
    前記温度調整器は、前記生成ガス冷却器から導かれた水または蒸気と、前記燃料ガス加熱器の加熱途中または加熱後の燃料ガスとを混合する混合部を備えているガス化設備。
  11. 請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    を備え、
    前記燃料ガス加熱器は、前記排熱回収ボイラに設けられているガスタービン設備。
  12. 請求項１１に記載のガスタービン設備と、
    炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
    前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、
    を備え、
    前記排熱回収ボイラで生成された蒸気を、前記生成ガス冷却器に導く蒸気導入経路が設けられているガス化設備。
  13. 請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン装置と、
    前記ガスタービンから導かれた排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
    前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、
    を備え、
    前記燃料ガス加熱器は、前記生成ガス冷却器に設けられているガス化設備。
  14. 天然ガスよりも発熱量が小さい燃料ガスを４００℃以上に加熱する工程と、
    加熱された前記燃料ガスを燃焼器に供給する工程と、
    前記燃焼器から供給される燃焼ガスによってガスタービンを駆動する工程と、
    を備えているガスタービン装置の運転方法。
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