JP2021055867A - 排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備 - Google Patents
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Abstract
Description
また、ガスタービンの部分負荷を考慮して、定格負荷時の抽気点に対して高温高圧側の位置に抽気点を設けることもある。しかし、この構成では、定格負荷時において余裕がある抽気点から補助蒸気を抽気することとなり効率低下の一因となる。
すなわち、本発明の一態様に係る排熱回収ボイラは、ガスタービンから導かれて流路を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラであって、所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器と、前記第1過熱器の蒸気出口に接続されている蒸気配管と、該蒸気配管に設けられている圧力調整弁と、蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に接続されている補助蒸気配管と、蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に設けられ、前記蒸気配管を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計とを備えている。
これによって、圧力調整弁及び圧力計を用いて補助蒸気配管に対する前圧制御(圧力調整弁によって圧力調整弁よりも上流側の圧力を制御すること)が可能な状態となり、ガスタービンの負荷に依らず一定圧力の蒸気を第1過熱器から補助蒸気配管を介して補助蒸気として取り出すことができる。ここで言う「圧力調整弁よりも上流側の圧力」とは、例えば、第1過熱器の蒸気圧、蒸気配管内の蒸気圧及び補助蒸気配管内の蒸気圧等である。
また、第1過熱器に所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器が設置される場合、圧力調整弁によってその第1蒸発器内の圧力を前圧制御によって調整することができる。
また、仮に排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側に所定圧力よりも高い圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設置されている場合であって、第2過熱器から供給される蒸気やその蒸気によって駆動される蒸気タービンから排出される蒸気を補助蒸気として取り出すとき、要求される補助蒸気の圧力に依っては蒸気タービンを最適な条件で運転することができない可能性があり、設備全体としての性能低下が懸念される。しかし、本態様のように、第1過熱器から取り出した蒸気を補助蒸気とすることで、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる。補助蒸気の供給源となる第1過熱器と蒸気タービンの駆動用蒸気の供給源となる第2過熱器とを互いに独立した過熱器としたためである。
なお、補助蒸気は、例えばガスタービンに供給される燃料ガスの加熱源に利用される。
これによって、第1蒸発器の圧力を圧力調整弁によって一定に保持することで、第1蒸発器の温度を一定に保つことができる。このため、排ガスの流れ方向において第1蒸発器の下流(特に、第1蒸発器に近接している位置)の流路にある排ガスの温度を一定に保持することができる。そして、排ガスの流れ方向において第1蒸発器の下流の流路から排ガスを抽気することによって、ガスタービンの負荷に依らず一定温度の排ガスを抽気することができる。なお、抽気された排ガスは、例えば炭素含有固体燃料の乾燥に用いられる。
また、排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側から排ガスを抽気した場合と比べて、第1過熱器や第1蒸発器にて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
なお、第1蒸発器は、蒸気配管が接続された第1過熱器に蒸気を供給するよう構成されていればよく、圧力(例えば、低圧、中圧及び高圧等)は限定されない。
第1蒸発器の圧力を圧力調整弁によって一定に保持することで、第1蒸発器の温度を一定に保つことができる。このため、第1蒸発器と第2蒸発器との間(特に、第1蒸発器に近接している位置)の流路にある排ガスの温度を一定に保持することができる。そして、第1蒸発器と第2蒸発器との間から排ガスを抽気することによって、ガスタービンの負荷に依らず一定温度の排ガスを抽気することができる。なお、抽気された排ガスは、例えば炭素含有固体燃料の乾燥に用いられる。
また、排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側から排ガスを抽気した場合と比べて、第1過熱器や第2蒸発器にて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
これによれば、補助蒸気の供給源となる第1過熱器と蒸気タービンの駆動用蒸気の供給源となる第2過熱器とが独立した過熱器とすることができる。このため、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる。
これによって、可及的に高温の燃料ガスをガスタービンに供給できるので、ガスタービンでの燃焼効率を向上させることができる。
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。
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。
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備1の動作について説明する。
石炭ガス化複合発電設備1において、給炭設備9の石炭ミル13に原炭(石炭)が供給されると、石炭は、石炭ミル13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。このとき、石炭に水分が多く含まれる場合、排熱回収ボイラ20から抽気された排ガスによって石炭が乾燥される。
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。
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。
次に、本実施形態に係る排熱回収ボイラ20の構成について説明する。
図2には、複数の熱交換器が流路82に設けられた排熱回収ボイラ20が示されている。ガスタービン63から導かれた排ガス(GT排ガス)は、同図において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、高圧(第2圧力)、中圧(所定圧力)、低圧(第1圧力)の各熱交換器を有する3圧構成とされている。
なお、各熱交換器の配置は、設備の仕様に応じて適宜変更され、熱交換器の順序が入れ替わったり複数の熱交換器が並列して設置されたりしてもよい。
高圧過熱器93aの蒸気出口には蒸気供給ライン71が接続されており、蒸気タービン69に蒸気を供給できるように構成されている。
また、圧力調整弁100よりも上流側の蒸気配管PS1からは、補助蒸気配管PS2が分岐している。
更に、補助蒸気配管PS2の分岐部よりも上流側の蒸気配管PS1には、蒸気の圧力が測定可能な圧力計102が設けられている。なお、圧力計102の設置箇所は、図示された箇所に限定されるものではなく、例えば中圧蒸発器92b(ドラム)に設けられていてもよい。
次に、本実施形態に係る排熱回収ボイラ20の動作について説明する。
ガスタービン63から導かれた高温のGT排ガスは、流路82を下方から上方へと流れる。各熱交換器(過熱器、蒸発器、節炭器、再熱器等)は、GT排ガスと水(蒸気含む)との間で熱交換を行うことで、給水の加熱、所定圧力の蒸気の生成、蒸気の過熱等を行う。また、脱硝装置90によって、流路82を流通するGT排ガスに含まれる有害物質を無害化する。
中圧過熱器92aによる過熱度としては、例えば次のようものが挙げられる。すなわち、圧力調整弁100の圧損によって、或いは補助蒸気を使用先まで供給する間の減温によって、補助蒸気が湿り蒸気とならない程度の過熱度(例えば、10℃以上15℃以下)とされる。
中圧過熱器92aによって過熱された蒸気の一部は、蒸気配管PS1及び補助蒸気配管PS2を介して高温・中圧の補助蒸気として取り出される。補助蒸気の供給先は多岐にわたるが、一例としては、燃料ガス加熱器80に供給されて燃料ガスの加熱に利用される。これによって、ガス化設備であれば備えているガス精製設備5で冷却された燃料ガスを、ガスタービン63での燃焼温度に近付けてガスタービン63に供給することができるので、ガスタービン63の運転を高効率化することができる。
なお、ガスタービン63は、例えば、ガス精製設備5が備えらえているガス化設備に設けられている。
また、これと合わせて、圧力調整弁100を用いた前圧制御によって、ガスタービン63の負荷に依らず、中圧過熱器92aの蒸気圧、中圧蒸発器92bの蒸気圧、蒸気配管PS1内の蒸気圧等が一定に保持される。
更に、中圧蒸発器92bの圧力を前圧制御によって一定に保持している場合には、中圧蒸発器92b内の飽和温度が一定となる。このため、中圧蒸発器92bの下流側の温度(中圧蒸発器92bの出口温度)も一定に保持される。これによって、ガスタービン63の負荷に依らず、中圧蒸発器92bによって熱交換されるGT排ガスの温度が一定に保持されることとなる。
圧力調整弁100によって、補助蒸気配管PS2に対する前圧制御が可能となり、ガスタービン63の負荷に依らず一定圧力の補助蒸気を中圧過熱器92aから蒸気配管PS1及び補助蒸気配管PS2を介して取り出すことができる。
また、仮に高圧過熱器93aから供給される蒸気やその蒸気によって駆動される蒸気タービン69から排出される蒸気を補助蒸気として取り出した場合、補助蒸気としては過熱度が高いのでスプレイ水によって補助蒸気を減温しなければならない。この減温は設備全体としての熱の損失に繋がり好ましくない。しかし、中圧過熱器92aから取り出された補助蒸気は、高圧過熱器93a等から供給される蒸気よりも低温とされる。このため、スプレイ水を用いた補助蒸気の減温に起因する損失を回避することができる。
また、中圧過熱器92aよりも上流側からGT排ガスを抽気した場合と比べて、中圧過熱器92aや中圧蒸発器92bにて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
5 ガス精製設備
16 ガス化炉
18 蒸気タービン装置
20 排熱回収ボイラ
63 ガスタービン
69 蒸気タービン
82 流路
91b 低圧蒸発器(第2蒸発器)
92a 中圧過熱器(第1過熱器)
92b 中圧蒸発器(第1蒸発器)
93a 高圧過熱器(第2過熱器)
100 圧力調整弁
102 圧力計
104 制御部
PG1 高温抽気配管(抽気配管)
PS1 蒸気配管
PS2 補助蒸気配管
Claims (7)
- ガスタービンから導かれて流路を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラであって、
所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器と、
前記第1過熱器の蒸気出口に接続されている蒸気配管と、
該蒸気配管に設けられている圧力調整弁と、
蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に接続されている補助蒸気配管と、
蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に設けられ、前記蒸気配管を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計と、
を備えている排熱回収ボイラ。 - 前記圧力計からの情報に基づいて前記圧力調整弁の開度を決定する制御部と、
を備えている請求項1に記載の排熱回収ボイラ。 - 前記所定圧力の蒸気を生成して、前記第1過熱器に前記所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器と、
ガスの流れ方向において、前記第1蒸発器よりも下流の前記流路から排ガスを抽気する抽気配管と、
を備えている請求項1又は2に記載の排熱回収ボイラ。 - 前記所定圧力は、第1圧力よりも高い圧力とされ、
前記第1圧力の蒸気を生成する第2蒸発器と、
を備え、
前記抽気配管は、前記第1蒸発器と前記第2蒸発器との間の前記流路から排ガスを抽気している請求項3に記載の排熱回収ボイラ。 - 前記所定圧力よりも高い第2圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設けられた請求項1から4のいずれかに記載の排熱回収ボイラと、
前記第2過熱器から供給される蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
を備えている蒸気タービン設備。 - 請求項1から4のいずれかに記載の排熱回収ボイラと、
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精製するガス精製設備と、
該ガス精製設備によって精製された燃料ガスによって駆動される前記ガスタービンと、
を備え、
前記補助蒸気配管によって取り出された蒸気は、前記ガスタービンに供給される前記燃料ガスを加熱するガス化設備。 - 請求項3又は4に記載の排熱回収ボイラと、
炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
を備え、
前記抽気配管によって抽気された排ガスは、前記ガス化炉に供給される前記炭素含有固体燃料を乾燥させるガス化設備。
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