JP4186181B2

JP4186181B2 - Cogeneration method and cogeneration system

Info

Publication number: JP4186181B2
Application number: JP2002251721A
Authority: JP
Inventors: 卓弥吉田; 正明坂内; 桂史笹尾; 昌彦古川; 彬波々伯部
Original assignee: Hitachi Ltd; Fujifilm Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Fujifilm Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004092426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンにより電力と蒸気などの熱を発生させて供給する熱電併給システムと、揮発性有機化合物ガスの燃焼処理熱により蒸気等の熱を発生させる熱供給システムとを組み合わせた熱電併給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
生産プラントなどへのエネルギー供給方法として、コージェネレーションと呼ばれる熱電併給システムが知られている。この熱電併給システムは、電力と熱（例えば、蒸気や温水）を発生させるものであり、原動機などで発電機を駆動して電力を発生させるとともに、原動機で発生する排ガスを排熱回収ボイラに導いて蒸気や温水を発生させるものである。なお、蒸気と温水はともに排熱から作ることに変わりないため、以下では、熱の需給を説明する場合、蒸気の需給として説明する。
【０００３】
このような熱電併給システムの原動機としては、ガスタービン、ガスエンジン、及びディーゼルエンジンなどがあり、特に、熱の需要が比較的多い場合にガスタービンが広く用いられる。このようなガスタービンには、種々の形式があり、発電出力の上昇や、燃料の燃焼に伴って発生する窒素酸化物の発生量の低減を目的として、蒸気を燃焼器内に噴射する手段を備えた蒸気噴射型ガスタービンと呼ばれるものが提案されている。この蒸気噴射型ガスタービンは、燃焼器に噴射する蒸気の量を調整することで電力と熱の供給量の割合を調整することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、化学産業や電機機械産業などの生産プラントでは、例えば、トルエンなどの揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds:ＶＯＣ)を含有する排ガス（以下、ＶＯＣガスと称する）が発生する。このＶＯＣガスは有臭かつ有害であることから、ＶＯＣガスを分解温度以上の高温（８００〜８５０℃）で燃焼させる脱臭炉で処理した後に大気中に排出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。このような脱臭炉から排出される燃焼排ガスは、高温であることから、この熱を排熱回収ボイラなどで蒸気として回収する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平10-196401号（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開2000-193227号（第３−５頁、第１図）
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスタービンによる熱電併給の場合は、燃焼器に噴射する蒸気の量を調整することで電力と熱の供給量の割合を調整することができるが、噴射蒸気をガスタービンの燃焼排ガス（例えば、４６０℃）で過熱するので、過熱蒸気の温度を十分高くできない。その結果、過熱蒸気から電力に変換できる熱量が制限され、電力と熱の供給バランスの融通性も制限されるという問題がある。
【０００６】
一方、ＶＯＣガスの組成、濃度、流量などは生産プラントの運転に応じて変化するから、回収熱量も変化し、蒸気の供給量が変動する。そこで、蒸気を安定に供給するため、一般に、貫流ボイラ、水管ボイラ、煙管ボイラ、及び排気再燃ボイラなどのボイラを別に設けて蒸気を補うことが考えられる。しかし、ＶＯＣガスの流量などが大きく増加すると逆に蒸気が余剰となるため、熱回収効率が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、熱電併給システムにおける電力と熱の供給バランスの融通性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、脱臭炉による熱供給とガスタービンによる熱電併給を組み合わせ、脱臭炉の燃焼排ガスで過熱した蒸気をガスタービンの燃焼器に噴射することに思い至った。
【０００９】
具体的には、本発明の熱電併給システムは、圧縮空気により燃料を燃焼器にて燃焼させ、その燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、そのｚガスタービンにより駆動する発電機と、ガスタービンの燃焼排ガスの熱で蒸気を発生させる第１の蒸発部及び第１の過熱部を有するガスタービン排ガスボイラと、揮発性有機化合物ガスを燃焼処理する脱臭炉と、その脱臭炉から排出されるガスタービンの燃焼排ガスよりも高温の燃焼排ガスの熱で蒸気を発生させる第２の蒸発部及び第２の過熱部を有する脱臭炉排ボイラと、第１の蒸発部及び第２の蒸発部で発生する蒸気を需要側に供給する配管系統とを備え、第１の蒸発部で発生する蒸気の一部を第１の過熱部及び第２の過熱部に順次通流させて燃焼器に噴射する配管系統を設け、第１の過熱部に流入する蒸気を第１の過熱部をバイパスさせて第２の過熱部の蒸気流入側に導くことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、ＶＯＣガスを分解温度以上の温度で燃焼処理する脱臭炉から排出される燃焼排ガスの温度が、例えば、ガスタービンの排ガスの温度より高いことに着目し、このＶＯＣガスの燃焼排ガスで過熱した蒸気を燃焼器へ導くようにしたものである。これにより、例えば、第１の過熱部からガスタービンの燃焼器へ過熱蒸気を供給する場合よりも燃焼器の入熱量を増加させ、この結果、過熱蒸気から電力に変換できる熱量を増加させることが可能になり、電力と熱の供給バランスの融通性を向上させることができる。さらに、第２の過熱部で熱を回収してガスタービンへの供給することにより、第２の蒸発部で発生する蒸気の量を減少させて蒸気の需要量に対する余剰を抑制することができるので、熱回収効率の向上を可能にする。
【００１１】
また、過熱蒸気から電力に変換できる熱量を増加させることで発電効率を向上させることも可能となる。例えば、第１の場合は、ガスタービンの運転制御方法として、燃焼器内の温度が予め定められた上限値よりも低く保たれており、入熱量の増加に応じて燃焼器内の温度が上昇することを一定範囲まで許容できるような場合である。これは、ガスタービンの燃焼器内の温度が、例えば材料の耐熱温度等の点からみて一定の上限値があるものの、定常運転時の温度はこれよりも低い値に保たれており、昇温の余地があるような場合である。この場合、ガスタービンへの噴射蒸気の熱量の増加によって燃焼器内の温度が昇温するため、ガスタービン発電機の出力を向上させることができる。
【００１２】
第２の場合は、ガスタービンの運転制御方法として、燃焼器内の温度を一定値に保つような温度制御方法が採用されている場合である。これは例えば、上記と同様にガスタービン燃焼器内の温度に一定の上限値があり、定常運転時の温度がこの上限値の付近に設定されており、昇温の余地がないような場合である。この場合、ガスタービンの運転方法としては、燃焼器内の温度上昇を抑制するために、噴射蒸気の持込熱量の増加分に応じて、燃焼器に投入する燃料量を減少させるように運転制御する。したがってこの場合、燃焼消費量を削減することができる。
【００１３】
これら第１、第２の場合はいずれも発電効率を向上させることができる。式(1)に示すように、発電効率ηはガスタービンの発電出力Ｑoutと燃料入熱量Ｑinの比で表されるが、第１の場合は発電出力Ｑoutが増加し、第２の場合は燃料入熱量Ｑinが減少するため、いずれの場合も発電効率ηは増加する。
η＝Qout／Qin (1)
ここで、Qout：ガスタービンの発電出力
Qin：ガスタービンへの燃料入熱量
このように、本発明で導入する第２の過熱部で過熱させた蒸気を燃焼器に導くことで、ガスタービンの発電出力を向上するか、あるいは、ガスタービンの燃料消費量を削減することができる。つまり、発電効率を向上させることができる。また、ガスタービンは、飽和蒸気を発生させる第２の蒸発部などに比べて高い温度を必要とすることから、比較的温度の高い（８００〜８５０℃）脱臭炉からの燃焼排ガスを利用することでエクセルギを有効に利用することができるので好ましい。
【００１４】
さらに、好ましくは、ガスタービン排ガスボイラの蒸発部（第１の蒸発部）で発生する蒸気をガスタービン排ガスボイラの過熱部（第１の過熱部）及び脱臭炉排ガスボイラの過熱部（第２の過熱部）に順次通流させて燃焼器に導く配管系統を設けた構成とすることで、燃焼器に噴射する過熱蒸気の温度を上げることができる。
【００１５】
この場合において、第２の蒸発部で発生する蒸気の一部を第２の過熱部の蒸気流入側に合流させる配管系統を設けることで、第２の蒸発部で発生した蒸気を第２の過熱部に導き入れることができる。このため、例えば、ガスタービン設備が定期点検等で休止している場合であっても、第２の過熱部への蒸気供給が停止して脱臭炉の高温燃焼排ガスによって空焼きされるのを防止し、安全に運用することを可能にする。さらに、第２の過熱部に導入する蒸気を第１の蒸発部又は第１の過熱部から導くに限らず、第２の蒸発部からも導くとともに、第２の蒸発部で発生する蒸気を第２の過熱部の流入側に流量調整可能にすることにより、燃焼器に導入する蒸気温度をより広い範囲で調整することが可能である。
【００１６】
ここで、第１の過熱部を通流した蒸気を第２の過熱部をバイパスさせて第２の過熱部の蒸気流出側に導く配管系統を設けることで、第２の過熱部を通流させて燃焼器へ導くラインと第２の過熱部をバイパスさせて燃焼器に導くラインを並列に備え、それぞれのラインの流量配分を調整することができるので、燃焼器へ噴射する蒸気の温度、すなわち蒸気の加熱の程度を加減できる。したがって、蒸気の需給を見ながら、蒸気の余剰の程度に応じて、蒸気再過熱器での受熱量を調整し、後段の蒸発器・ドラムでの蒸気発生量を加減することが可能となる。このようにして、蒸気需給バランスの調整の課題に、より精緻に対応することができる。なお、ここでバイパスとは、ラインの流れの全流を迂回させることだけでなく一部を迂回させることを指す。
【００１７】
また、脱臭炉が定期点検等で休止している場合であっても、第１の過熱部で過熱した蒸気を、第２の過熱部を通さずに燃焼器へと導くことができる。これにより、脱臭炉及びその排ガスボイラの点検等の作業をガスタービンの運用と切り離して実施できる。また、脱臭炉の休止時に第２の過熱部に蒸気を導入すると、脱臭炉の燃焼排熱がないために逆に第２の過熱部の伝熱面から蒸気の熱の一部を損失することになるが、このような熱損失を防止できる。
【００１８】
また、第１の過熱部に流入する蒸気を第１の過熱部をバイパスさせて第２の過熱部の蒸気流入側に導く配管系統を設けることで、第１の過熱部から第２の過熱部を経て燃焼器へ導くラインと第１の蒸発部から第２の過熱部を経て燃焼器へ導くラインを並列に備え、それぞれのラインの流量配分を調整することができるので燃焼器へ噴射する蒸気の温度、すなわち蒸気の加熱の程度を加減できる。したがって、蒸気の需給を見ながら、蒸気の余剰の程度に応じて、蒸気再過熱器での受熱量を調整し、後段の蒸発器・ドラムでの蒸気発生量を加減することが可能となる。このようにして、蒸気需給バランスの調整の課題に、より精緻に対応することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、脱臭炉を備えた熱電併給システムにおいて、システムの熱効率を向上する実施例の１つを図１で詳述する。図１は本発明を適用してなる熱電併給システムの一実施形態を示した系統図である。
【００２０】
全体の系統は大きく、(1)発電機１０５を備えた蒸気噴射型ガスタービン１（以下、単にガスタービンと記す）及び、このガスタービン１から排出される燃焼排ガスの供給を受けて蒸気を発生させる排熱回収ボイラ２（以下、ガスタービン排ガスボイラと記す）を有するガスタービン側系統と、(2)揮発性有機化合物(ＶＯＣ)を含有するガスを燃焼分解する脱臭炉３及び、この脱臭炉３から導き出された高温燃焼排ガスの供給を受けて蒸気を発生させる排熱回収ボイラ４（以下、脱臭炉排ガスボイラと記す）を有する脱臭炉側系統、(3)原水５０を系５１から系２１と系４１に配分してそれぞれガスタービン排ガスボイラ２及び脱臭炉排ガスボイラ４へと供給する給水系統、(4)の両系統(1)、(2)から発生した蒸気をそれぞれ系２６、系４６を介して蒸気ヘッダ６５に導き、最終的に系６０４から生産プロセス等の需要側へと供給する蒸気供給系統からなる。また本システムは、後述するようにガスタービン１に噴射する蒸気を過熱する第２の過熱部であるところの蒸気再過熱器４７を脱臭炉排ガスボイラ４内に備えている。以下に、本発明のシステムの基本的な作動を前述の(1)〜(4)の各系統に分けて説明する。
【００２１】
まず、(1)のガスタービン側系統の作動を以下に述べる。ガスタービン１では、燃料１４（図示例では78,700MJ/h。以下、同様の図示例は括弧内に数値と単位のみ記す。）が系１３から燃焼器１０２内に供給されて燃焼し、この燃焼によって生じる燃焼ガスがタービン１０３に導入されてこのタービンを駆動せしめ、このタービン１０３の駆動力がタービン１０３と発電機１０５を結ぶ軸１０４を介して発電機１０５に伝達され、発電機１０５を駆動して発電出力を発生させる。タービン１０３を駆動させた後の燃焼ガスは依然として高温の状態であり（460℃）、系１７を介してガスタービン排ガスボイラ２に導入される。また燃焼器１０２には、後述するように系１５から導かれた過熱蒸気１６が噴射されている（この過熱蒸気１６を以下、噴射蒸気と記す）。この噴射蒸気１６の目的は、燃焼器１０２内の燃焼ガスにさらに顕熱を付与して発電出力を増加させることと、この燃焼器１０２内の特に高温燃焼部分に蒸気を注入して減温して、例えばサーマルNoxなどの発生を抑制することにある。
【００２２】
ガスタービン排ガスボイラ２の内部の排ガス流路には、排ガスの流れに沿って上流側から順に、ガスタービン１への噴射蒸気１６を過熱する第１の過熱部であるところの過熱器２７と、後述するドラム２４から導かれるボイラ水を加熱して蒸発させる第１の蒸発部であるところの蒸発器２５と、系２１から補給される給水を予熱する給水予熱器２２が配置されている。系１７から導入された高温排ガスは過熱器２７、蒸発器２５及び給水予熱器２２と熱交換して、自身は降温し（170℃）、系６１を経て煙突６２より大気中に排出される。
【００２３】
一方、ガスタービン排ガスボイラ２には、系２１より水が供給されており、この水はポンプ２２９に導かれて給水予熱器２２内に入り予熱された後、一部はポンプ２３９に導かれて系２３より再び系２１に循環され、給水予熱器２２に流入する水の温度を（原水の２０℃から）６０℃に昇温させており、残りはドラム２４に導入される。ドラム２４には、このようにして給水予熱機２２から供給された水が内部に保有されており、その一部は蒸発器２５に供給され、この蒸発器２５で発生した蒸気はこのドラム２４に還流される。ドラム２４に還流された蒸気は、飽和蒸気となり系２６１からこのドラム２４を出て、系２６と系２６２へと分配される。系２６２へ分配された飽和蒸気は、前述した過熱器２７にて過熱されて過熱蒸気となり、一方、系２６へ分配された飽和蒸気は蒸気ヘッダ６５へと導かれる。
【００２４】
次に、(2)の脱臭炉側系統の作動を以下に述べる。例えば、塗装工程等のＶＯＣガス発生工程３０で発生した揮発性有機化合物ＶＯＣを含有するガス（以下、ＶＯＣガスと記す）（流量0〜51000Nm3/h、温度40℃、濃度500〜3000ppm）は、系３１により脱臭炉３内に具備されている蓄熱体３２に導入される。なお、ＶＯＣの濃度とは、ＶＯＣガスのトルエン換算濃度をさし、これは、組成や発熱量の異なる各種ＶＯＣガスあるいはその混合ガスを、発熱量の等価なトルエンの相当濃度に換算したものである。以降、「ppm」「濃度」とはこのトルエン換算濃度をさすものとする。
【００２５】
この蓄熱体３２はハニカム形状になっておりガスを通過させることができ、また後述する作用により高温になっているために、この蓄熱体３２に導入されたＶＯＣガスは昇温した後、脱臭炉３の燃焼室３３に導入される。
【００２６】
燃焼室３３内では導入されたＶＯＣガスが高温(850℃)で燃焼されており、ガス中のＶＯＣ成分は燃焼反応により酸化されて二酸化炭素と水、あるいはその他の酸化物に分解されて無害化される。高温燃焼をした排ガスの一部は、系３５により脱臭炉排ガスボイラ４に導入される(0〜15,000Nm3/h)。燃焼室３３内の温度は次に述べるようにして予め定められた一定の設定範囲内に保たれている。すなわち、脱臭炉３に導入されるＶＯＣガスの濃度あるいは風量が大きい場合、換言すれば発熱量が高い場合、系３５に抜き出す高温燃焼排ガス量を増加させて、炉内の高温化を抑制する。逆に、ＶＯＣガスの濃度あるいは風量が小さい場合、換言すれば発熱量が低い場合、系３５に抜き出す高温燃焼排ガス量を減少させて、炉内温度の低下を抑制する。
【００２７】
このように、系３５に抜き出す高温燃焼排ガスの流量の制御は、例えば、燃焼室３３内の温度を監視して、予め定めた一定の温度範囲の上限値を上回った場合に、系３５への抜出口に備えたダンパーの開度を大きくし、逆に一定の温度範囲の下限値を下回った場合には系３５への抜出口に備えたダンパーを閉じる、といった操作によってなされる。系３５に抜き出す高温燃焼排ガスの流量は、ＶＯＣガスの発熱量（すなわち流量または濃度）が減少するにともなって減少し、ＶＯＣガスの発熱量が一定以下の範囲では、系３５からの抜出流量はゼロになる。この場合には、燃焼室３３内の温度がさらに低下するのを防ぐために、補助燃料３９をバーナ３８から燃焼室３３内に吹き込んで燃焼させることで、炉内温度を前述の設定範囲内に保つ。
【００２８】
一方、高温燃焼排ガスの残量は脱臭炉の蓄熱体３６を加熱し、自身は、（ＶＯＣガス条件によって異なるが約50〜150℃に)冷却されて系３７を経て大気中へと排出される。脱臭炉３へのＶＯＣガス入口系３１と出口系３７は一定時間間隔（例えば約６０〜９０秒毎）で、接続する蓄熱体３２と蓄熱体３６を互いに切替えられるようになっている。この結果、蓄熱体３２と蓄熱体３６では、上述した、流入ＶＯＣガスを加熱することによる蓄熱体の放熱と、高温燃焼ガスを冷却することによる蓄熱体の加熱が交互に繰り返される。この作用により、前述したように、蓄熱体３２に導入されたＶＯＣガスは昇温される。以上の操作により、無害化されたガスは系３５と系３７により脱臭炉３から排出される。
【００２９】
前述の系３５より排出された脱臭炉排ガスは、脱臭炉排ガスボイラ４に導入される。脱臭炉排ガスボイラ４は、この排ガスボイラ４に供給される水を加熱する給水予熱器４２と、この給水予熱器４２にて加熱された温水の供給を受けるドラム４４と、このドラムから温水の供給を受けて加熱し蒸発させ、再びドラム４４に還流させる第２の蒸発部であるところの蒸発器４５を備えており、さらに排ガスの流れに沿って蒸発器４５よりも上流の位置に、ガスタービン排ガスボイラの過熱器２７から接続されており、系３５より排出された脱臭炉の高温燃焼排ガスの熱を受けて蒸気を過熱する第２の過熱部であるところの蒸気再過熱器４７を備えている。
【００３０】
脱臭炉排ガスボイラ４に導入された排ガスは、その流れに沿って順に、蒸気再過熱器４７、蒸発器４５、給水予熱器４２と熱交換して自身は約１７０℃に降温し、系６３を経て煙突６４より大気中へと排出される。一方、系４１から脱臭炉排ガスボイラ４に導入された水（約２０℃）は、ポンプ４２９に導かれて給水予熱器４２内に入って加熱されて昇温後、一部はポンプ４３９に導かれて系４３より再び系４１へと循環して、給水予熱器４２に流入する水の温度を６０℃に昇温させており、一方、残りはドラム４４に導かれる。ドラム４４に導入された水は、蒸発器４５に供されて蒸気としてこのドラム４４に還流し、さらに系４６により飽和蒸気として取り出されて蒸気ヘッダ６５へと導かれる。また、蒸気再過熱器４７には系４０１から、前述したガスタービン排ガスボイラ２の過熱器２７で過熱された蒸気が導入され、この蒸気は系３５より流入した高温燃焼排ガスの熱を受けて昇温された後、系４０２を経て、ガスタービン１への蒸気噴射経路１５に導かれ、このガスタービンの燃焼器１０２内に噴射される。このように、系２６２、４０１、４０２により、蒸発器２５で発生した蒸気の一部を過熱器２７及び蒸気再過熱器４７に順次通流させて燃焼器１０２に噴射する配管系統が形成されている。
【００３１】
(3)の給水系統の作動を以下に述べる。給水系統では、原水５０（約２０℃）が、系５１より水処理装置５３、ホットウェルタンク５４を経て、ポンプ２１９によって、前述したガスタービン排ガスボイラ２への給水配管である系２１と、脱臭炉排ガスボイラ４への給水配管である系４１へと導かれる。この系２１とこの系４１への給水流量は、それぞれポンプ２２９とポンプ４２９の吐出流量によって制御される。水処理装置５３は軟水化装置や純水製造装置等を用いるとよい。
【００３２】
(4)の蒸気供給系統の作動を以下に述べる。蒸気供給系統では、前述のガスタービン側系統(1)と、脱臭炉側系統(2)から発生した蒸気が、それぞれ系２６、系４６を介して蒸気ヘッダ６５（ヘッダ蒸気圧力20atg）に導かれ、また、前述した蒸気再蒸気再過熱器４７で過熱された蒸気の一部が、この再蒸気再過熱器４７からガスタービン燃焼器１０２へと導かれる経路１５の途中に設けられた三方弁４０６より導き出された系４０４を介して蒸気ヘッダ６５に導かれる。この系４０４へと導かれる蒸気の流量は、ガスタービン燃焼器１０２に噴射する蒸気の所望量に応じて調整される。なお、三方弁４０６は、経路１５に流す蒸気の量を増やすことでガスタービン１の出力を向上させ、系４０４へ導く蒸気の量を増やすことで生産プロセスへ供給される蒸気の量を増やせるようになっている。すなわち、例えば、ドラム２４での蒸気発生量をＳ１[トン／時]、燃焼器１０２への噴射蒸気１６の流量をＳ２[トン／時]とすると、系４０４の流量はＳ１からＳ２を差し引いた量Ｓ３＝Ｓ１−Ｓ２[トン／時] となる。このようにして蒸気ヘッダ６５に導かれた蒸気は、系６９より減圧弁６９９を介して、あるいは、系６６を経て蒸気アキュムレータ６７に蓄えられた後、減圧されて系６８より、蒸気ヘッダ６０３（ヘッダ蒸気圧力5atg）に導かれる。蒸気ヘッダ６０３に導かれた蒸気は系６０４を経て需要側である生産プロセスへと送気される。
【００３３】
また、化学産業や電機機械産業等の工場では、電力と熱の需要が時々刻々変化することが多い。したがって、熱電併給システムの効率的な運用のためには、これら電力と熱の需要の変動に応じて電力と蒸気を発生させ、余らせずに消費することが重要になる。このため、年間の想定運転時間の大半の時間帯で、ガスタービンの定格発電出力が、需要側系統での電力需要よりも低くなるように、ガスタービンの容量を決定する。そして、需要側系統での電力需要に対して、ガスタービンからの供給電力だけでは電力量が不足するが、この不足分は図示していない商用電力系統から受電することで賄うようになっている。さらに、蒸気についても同様に、需要側系統での蒸気需要に対して、ガスタービン側系統からの供給蒸気だけでは蒸気量が不足することが多いが、予め、この不足分に対応するための例えば、貫流ボイラ６０１を設置しておき、この貫流ボイラ６０１にて不足分の蒸気を発生させ６０２を介して蒸気ヘッダ６０３に供給するようになっている。
【００３４】
以上に述べた本システムの作動には、以下に述べるような効果がある。すなわち、前述したように、本システムでは、ガスタービン排ガスボイラ２に備えられた過熱器２７で生成した過熱蒸気を、系４０１を経てさらに脱臭炉排ガスボイラに備えられた再蒸気再過熱器４７に導いて、再度過熱している。このことにより、系１５からガスタービン燃焼器１０２に噴射される蒸気は、ガスタービン排ガスボイラ２の過熱器２７から直接ガスタービン燃焼器１０２に噴射される場合に比べて、さらに高い温度に昇温された上で燃焼器１０２に導入されている。すなわち、本システムでは蒸気再過熱器４７を設けて、噴射蒸気１６を再過熱することにより、ガスタービン燃焼器１０２に持ちこむ熱量を増加させることができるようになる。これにより、燃焼器１０２に供給する熱量の上限が上がるので電力と蒸気の供給量を調整する範囲を拡大することができ、さらに、脱臭炉側系統で発生する蒸気が余剰になることを抑制することができる。
【００３５】
また、ガスタービン燃焼器１０２への入熱量の増加が、ガスタービン１の性能に及ぼす影響を説明すると以下のようになる。まず、ガスタービン１の発電機１０５の出力は、タービン部分１０３の仕様が同一であれば、燃焼器１０２内の温度が高いほど増加する。燃焼器１０２内では、燃料１４と燃焼用空気１２が、それぞれ系１３と系１１から供給されて燃焼しており、あわせて噴射蒸気１６が系１５から供給されていることから、燃焼器１０２内の温度は、燃料１４の供給流量と、噴射蒸気１６の温度及び流量によって決まる。一方、燃焼器１０２内の温度は、この燃焼器１０２及びガスタービン１の構成材料の耐熱温度によって、一定の許容上限値がある。
【００３６】
したがって、前述のように燃焼器１０２への入熱量が増加すると、ガスタービンの運転方法によって、次のいずれかの効果がある。第１に、ガスタービン１の運転制御方法として、燃焼器１０２内の温度がの許容上限値よりも余裕を持って低く保たれており、入熱量の増加に応じて燃焼器１０２内の温度が一定程度上昇することを許容できる場合、すなわち例えば、燃焼器１０２内の温度が材料の耐熱温度等の点からみてさらに昇温させる余地があるような場合、噴射蒸気１６の持込熱量の増加によって燃焼器１０２内の温度が昇温するので、ガスタービン発電機１０５の出力が向上する。すなわちこの場合、発電出力を増加することができる。
【００３７】
第２に、ガスタービン１の運転制御方法として、燃焼器１０２内の温度を許容上限値に近い範囲で一定値に保つような温度制御方法が採用されている場合、すなわち例えば、ガスタービンの燃焼器１０２内の温度が（材料の耐熱温度等の理由により）昇温の余地がないような場合には、このガスタービン１の運転方法として、燃焼器１０２内の昇温を抑制するために、噴射蒸気１６の持込熱量の増加分に応じて、燃焼器１０２に投入する燃料１４の量を減少させるよう運転制御することになる。したがってこの場合、燃料消費量を削減することができる。
【００３８】
これら第１、第２の場合はいずれも発電効率を向上させることができる。発電効率はガスタービンの発電出力ｓと投入燃料の熱量（燃料入熱量）の比で表され、第１の場合は発電出力が増加し、第２の場合は燃料入熱量が減少するため、いずれの場合も発電効率が増加する。
【００３９】
したがって以上をまとめると、本システムでは、蒸気再過熱器４７を設けて、過熱器２７で発生した蒸気をさらに過熱することによって、燃焼器１０２に供給する熱量を増加させ、電力の需要増により対応できるようになり、電力と熱の供給バランスの融通性を向上させることができる。さらに、蒸気再過熱器４７で熱を回収して燃焼器１０２への供給することにより、蒸発器４５で発生する蒸気の量を減少させて蒸気の需要量に対する余剰を抑制することができるので、熱回収効率の向上を可能にする。また、燃焼器１０２に供給する熱量が増えることから、当然に、ガスタービン発電機１０５の発電出力を向上するか、あるいは、ガスタービン１の燃料消費量を削減でき、またいずれの場合もガスタービン1の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
前述の再蒸気再過熱器４７を導入することによる発電効率の向上例について表１を援用して説明する。ここでは、効率向上の内容を燃料削減効果として評価する。表に示すように、再蒸気再過熱器４７を導入しない場合は、ガスタービンへの燃料入熱量は78,700MJ/h、発電出力は7,210kW、発電効率は33.0%であるのに対して、再蒸気再過熱器４７を導入すると、蒸気の持込熱量が増加することにより、発電出力を同じに保ったまま燃料入熱量を77,600MJ/hに減少でき、これにより発電効率が33.5%に向上する。
【００４１】
【表１】

本発明のシステムは、設備の休止時や蒸気の異常高温化等に対応して運転するための、各種バイパス経路や弁を備えている。これらについて、以下、ガスタービン側系統が休止時の運転方法、脱臭炉側系統が休止時の運転方法、蒸気の異常高温時の運転方法を例に、前述の図１の他、表２を援用して説明する。
【００４２】
ガスタービン側系統が定期点検等で休止している場合の運用方法について述べる。ガスタービン設備が休止している場合、脱臭炉排ガスボイラ４に備えられた蒸気再過熱器４７を通過する蒸気が無ければ、この蒸気再過熱器４７は前述の脱臭炉３の高温燃焼排ガスから受けた熱量を蒸気に与えることができず異常高温化して、空焼き状態となり損傷する。これを防止するために、本システムは、脱臭炉排ガスボイラ４のドラム４４から飽和水又は飽和蒸気を導くための配管系統であるバイパス経路４８及び弁４８９を備えている。（ここで弁とは、流路を開閉、またはその開度を調節する手段を指す。以下においても同様である）。バイパス経路４８と弁４８９の運用は、表２のガスタービン休止時の欄に示すように、弁４８９を開くことにより系４８を通して蒸気再過熱器４７に蒸気又は飽和水を導入し、一方で弁４０５及び弁４０７を閉止してガスタービン側の蒸気系統と分離する。
【００４３】
脱臭炉側系統が定期点検等で休止している場合の運用方法について述べる。脱臭炉３が休止している場合、ガスタービン排ガスボイラ２の過熱器２７から導かれた蒸気を再過熱するための蒸気再過熱器４７は、蒸気を加熱せず、むしろ伝熱部分での放熱により熱損失の要因となる。このような熱損失を避けるため、本システムはバイパス経路４０３及び弁４０７、弁４０５を備えている。その運用は、表２の脱臭炉休止時の欄に示すように、弁４０７を開くことにより過熱器２７を出た蒸気を系４０３から系４０２へと導き、一方で弁４０５及び弁４０８を閉止して蒸気再過熱器４７への蒸気の流れを遮断する。
【００４４】
蒸気が異常高温への対処方法について、ここではガスタービン１への噴射蒸気１６が異常高温にならないようにするための運用方法を例に説明する。ガスタービン１の燃焼器１０２に噴射する噴射蒸気１６の温度は、燃焼器１０２周りの耐熱温度やヒートバランス、その他の要因によって、上限側の制約値が存在し、本図の例ではこの温度は約３５０℃である。ガスタービン１又は脱臭炉３からの排ガスが何らかの異常によって高温化、あるいは流量が増加したりすると、過熱器２７又は蒸気再過熱器４７での受熱量が設計値よりも増加して、噴射蒸気１６の温度が３５０℃を超えて異常高温になる可能性がある。これを防止するために本システムでは、過熱器２７に流入する蒸気を過熱器２７をバイパスさせて再蒸気過熱器４７の蒸気流入側に導く配管系統であるバイパス経路２８及び弁２８９、及び過熱器２７を通流した蒸気を蒸気再過熱器４７をバイパスさせて蒸気再過熱器４７の蒸気流出側に導く配管系統である蒸気再過熱器４７のバイパス経路４０３及び弁４０７を備えている。
【００４５】
運用方法の例としては、蒸気噴射経路１５に温度計測端を設けて噴射蒸気１６の温度情報の信号を取得し、この信号を監視して設定温度（３５０℃）を超過した場合、第１段階としては、弁２７９の開度を絞って弁２８９の開度を大きくすることで、過熱器２７をバイパスして系２８を通過する流量を増加させて異常高温化を抑制し、このように制御しても噴射蒸気１６の温度が設定温度よりも低くならないような場合は、さらに第２段階として、弁４０５の開度を絞って弁４０７の開度を大きくすることで、蒸気再過熱器４７をバイパスして系４０３を通過する流量を増加させる。あるいは別の運用例としては、脱臭炉の高温燃焼排ガスを通す系３５の途中において、この高温燃焼排ガスを脱臭炉排ガスボイラ４に導かずに大気に放出するための弁３５９及び放出経路７０を設け、噴射蒸気１６の温度が設定温度を超過した場合はこの放出経路７０への排ガス流量が大きくなるように弁３５９の開度を操作することで、噴射蒸気１６の異常高温化を抑制するよう制御してもよい。
【００４６】
【表２】

以上で述べた本システムの運用方法では、蒸気の流れは、脱臭炉排ガスボイラ４で発生した蒸気は蒸気ヘッダ６５を経由して最終的に生産プロセスに供給され、ガスタービン排ガスボイラ２で発生した蒸気は、一部は過熱器２７と蒸気再過熱器４７を経てガスタービン１への蒸気噴射経路１５へと導かれ、残りは系２６又は系４０４より蒸気ヘッダ６５へと導かれ生産プロセスに供給される。これに対して、弁４８９を開き、脱臭炉排ガスボイラドラム４４から蒸気再過熱器４７へのバイパス経路４８にも蒸気を送気して運用することも可能である。すなわち、ガスタービン排ガスボイラ過熱器２７のまわりでは、弁２７９と弁２８９の開度調整によって系２７９と系２８９の間の流量を配分してガスタービン１の排熱からの受熱量を調整し、また蒸気再過熱器４７のまわりでは、弁４０５と弁４８９と弁４０７の開度調整によって系４７と系４０３の間の流量を配分調整して脱臭炉３からの排熱からの受熱量を調整できる。
【００４７】
この場合、蒸気の再過熱に供する蒸気をガスタービン排ガスボイラ２からだけでなく、脱臭炉排ガスボイラ４からも取ることができるため、蒸気再過熱器４７での受熱量、すなわち全体の熱吸収量を大きくすることができる。この場合、前述した蒸気の余剰の問題に対して、より広い範囲で蒸気の余剰エネルギーを電力エネルギーに転換して吸収することができる。
【００４８】
なお、本発明による熱電併給システムの実施形態は以上で説明した図１の例に限定されるものではない。例えば、脱臭炉排ガスボイラ４の形式はドラム４４を有する水管式として説明したが、これに限る必要はなく、排熱を用いて蒸気を発生させるものであれば、炉頭煙管式や貫流式など他の形式のものでもよい。同様にガスタービン１の排ガスボイラ２の形式についても、水管式で過熱器を備えたものを例に説明したが、これに限る必要はなく、排熱を用いて蒸気を発生させるものであれば、例えば、同じ水管式で過熱器２７を備えていないものでもよい。
【００４９】
同様に、ガスタービン１への噴射蒸気１６を過熱蒸気の場合を例として説明したが、飽和蒸気であってもよい。同様に排ガスボイラ４及び排ガスボイラ２への給水についても、給水予熱器４２及び給水予熱器２２への給水を系４３及び系２３によって循環させて加温させる例を示したが、このような循環による加温がないものでもよく、さらには給水予熱器４２や給水予熱器２２を有しないものであってもよい。同様に脱臭炉排ガスボイラ４のドラム４４から蒸気再加熱手段４７へのバイパス経路４８について蒸気を通すものとして説明したが、同じドラム４４から飽和水を抜き出して通すものとしてもよく、この場合蒸気再加熱手段での吸収熱量をより多くすることができる。またその他、図１及び先に述べた実施形態例で示した数値は１例にすぎないことは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、熱電併給システムにおける電力と熱の供給バランスの融通性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる一実施形態の熱電併給システムを示す系統図である。
【符号の説明】
２ガスタービン排ガスボイラ
３脱臭炉
４脱臭炉排ガスボイラ
４７蒸気再過熱器
１０２燃焼器
１０５発電機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a combined heat and power supply that combines a combined heat and power system that generates and supplies heat such as electric power and steam by a gas turbine, and a heat supply system that generates heat such as steam by the heat of combustion of volatile organic compound gas. About the system.
[0002]
[Prior art]
As an energy supply method to a production plant or the like, a cogeneration system called cogeneration is known. This combined heat and power generation system generates electric power and heat (for example, steam and hot water), drives the generator with a prime mover to generate power, and introduces exhaust gas generated by the prime mover to an exhaust heat recovery boiler. It generates steam and hot water. In addition, since both steam and hot water are made from exhaust heat, in the following, when explaining the supply and demand of heat, it will be described as the supply and demand of steam.
[0003]
As a prime mover of such a combined heat and power supply system, there are a gas turbine, a gas engine, a diesel engine, and the like, and the gas turbine is widely used particularly when the demand for heat is relatively large. There are various types of such gas turbines, and means for injecting steam into the combustor for the purpose of increasing the power generation output and reducing the amount of nitrogen oxides generated as fuel is burned. A so-called steam injection type gas turbine has been proposed. This steam injection type gas turbine can adjust the ratio of the supply amount of electric power and heat by adjusting the amount of steam injected into the combustor (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
On the other hand, in production plants such as the chemical industry and the electrical machinery industry, for example, exhaust gas (hereinafter referred to as VOC gas) containing volatile organic compounds (VOC) such as toluene is generated. Since this VOC gas is odorous and harmful, it is discharged into the atmosphere after being processed in a deodorizing furnace in which the VOC gas is burned at a high temperature (800 to 850 ° C.) higher than the decomposition temperature (for example, patent document) 2). Since the combustion exhaust gas discharged from such a deodorizing furnace is high temperature, it is necessary to recover this heat as steam with an exhaust heat recovery boiler or the like.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-196401 (page 2-3, Fig. 1)
[Patent Document 2]
JP 2000-193227 (page 3-5, Fig. 1)
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the case of cogeneration with a gas turbine, the ratio of the amount of electric power and heat supplied can be adjusted by adjusting the amount of steam injected into the combustor. 460 ° C.), the temperature of the superheated steam cannot be increased sufficiently. As a result, there is a problem that the amount of heat that can be converted from superheated steam to electric power is limited, and the flexibility of the balance between electric power and heat supply is also limited.
[0006]
On the other hand, since the composition, concentration, flow rate, and the like of the VOC gas change according to the operation of the production plant, the amount of recovered heat also changes and the supply amount of steam fluctuates. Therefore, in order to supply steam stably, it is generally considered to supplement the steam by separately providing boilers such as a once-through boiler, a water tube boiler, a smoke tube boiler, and an exhaust gas refire boiler. However, when the flow rate of the VOC gas and the like are greatly increased, there is a problem that the heat recovery efficiency is lowered because the steam becomes surplus.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to improve the flexibility of the supply balance of power and heat in the combined heat and power system.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventor has come up with the idea of combining the heat supply by the deodorization furnace and the combined heat and power supply by the gas turbine to inject the steam superheated by the combustion exhaust gas of the deodorization furnace into the combustor of the gas turbine.
[0009]
Specifically, the thermoelectric combination of the present invention. Supply The stem burns fuel with compressed air in a combustor and uses the combustion gas. Repulsion Movement Gas turbine and its z gas turbine A generator driven by the gas generator, and a first evaporator and a first superheater that generate steam by the heat of the combustion exhaust gas of the gas turbine Gas turbine exhaust gas boiler When, Deodorizing furnace that burns volatile organic compound gas And its deodorizing furnace Discharged from A second evaporator and a second superheater for generating steam by the heat of the combustion exhaust gas having a temperature higher than that of the combustion exhaust gas of the gas turbine; Deodorizing furnace exhaust boiler And a piping system that supplies steam generated in the first evaporator and the second evaporator to the demand side, and a part of the steam generated in the first evaporator is supplied to the first superheater and the second A piping system is provided for sequentially flowing through the superheated portion and injecting it into the combustor, and the steam flowing into the first superheated portion is bypassed by the first superheated portion and led to the steam inflow side of the second superheated portion. It is characterized by that.
[0010]
That is, the present invention pays attention to the fact that the temperature of the flue gas discharged from the deodorizing furnace that burns the VOC gas at a temperature equal to or higher than the decomposition temperature, for example, is higher than the temperature of the gas turbine exhaust gas. Steam overheated with exhaust gas is guided to the combustor. Accordingly, for example, the amount of heat input to the combustor is increased as compared with the case where superheated steam is supplied from the first superheated portion to the combustor of the gas turbine, and as a result, the amount of heat that can be converted from superheated steam to electric power can be increased. It becomes possible, and the flexibility of supply balance of electric power and heat can be improved. Furthermore, by collecting heat at the second superheater and supplying it to the gas turbine, it is possible to reduce the amount of steam generated in the second evaporator and suppress the surplus with respect to the demand amount of steam. This makes it possible to improve heat recovery efficiency.
[0011]
It is also possible to improve power generation efficiency by increasing the amount of heat that can be converted from superheated steam to electric power. For example, in the first case, as the operation control method of the gas turbine, the temperature in the combustor is kept lower than a predetermined upper limit value, and the temperature in the combustor increases as the heat input increases. This is a case where it is permissible up to a certain range. This is because the temperature in the combustor of the gas turbine has a certain upper limit in terms of the heat-resistant temperature of the material, for example, but the temperature during steady operation is maintained at a lower value. It is a case where there is room for. In this case, since the temperature in the combustor rises due to an increase in the amount of heat of the injected steam to the gas turbine, the output of the gas turbine generator can be improved.
[0012]
The second case is a case where a temperature control method is used as a gas turbine operation control method that keeps the temperature in the combustor at a constant value. This is the case, for example, when the temperature in the gas turbine combustor has a certain upper limit value as described above, the temperature during steady operation is set near this upper limit value, and there is no room for temperature rise. is there. In this case, as a method of operating the gas turbine, in order to suppress the temperature rise in the combustor, the operation control is performed so as to reduce the amount of fuel input to the combustor according to the increase in the amount of heat brought in by the injected steam. To do. Therefore, in this case, the combustion consumption can be reduced.
[0013]
In both the first and second cases, the power generation efficiency can be improved. As shown in the equation (1), the power generation efficiency η is expressed by the ratio of the power generation output Qout of the gas turbine and the fuel heat input amount Qin. In the first case, the power generation output Qout increases, and in the second case, the fuel Since the amount of heat input Qin decreases, the power generation efficiency η increases in any case.
η = Qout / Qin (1)
Where Qout: Gas turbine power generation output
Qin: Fuel heat input to the gas turbine
As described above, the steam heated by the second superheater introduced in the present invention is guided to the combustor, so that the power generation output of the gas turbine can be improved or the fuel consumption of the gas turbine can be reduced. it can. That is, power generation efficiency can be improved. In addition, since the gas turbine requires a higher temperature than the second evaporator that generates saturated steam, the combustion exhaust gas from the deodorizing furnace having a relatively high temperature (800 to 850 ° C.) should be used. It is preferable because exergy can be used effectively.
[0014]
Furthermore, preferably, the steam generated in the vaporization section (first vaporization section) of the gas turbine exhaust gas boiler is converted into a superheat section (first superheat section) of the gas turbine exhaust gas boiler and a superheat section (second phase) of the deodorizing furnace exhaust gas boiler. The temperature of the superheated steam injected into the combustor can be increased by providing a piping system that sequentially passes through the superheated portion) and leads to the combustor.
[0015]
In this case, by providing a piping system that joins a part of the steam generated in the second evaporator to the steam inflow side of the second superheater, the steam generated in the second evaporator is second superheated. Can be introduced into the department. For this reason, for example, even when the gas turbine equipment is stopped due to periodic inspections, etc., the supply of steam to the second superheated portion is stopped and it is prevented from being burned by the high-temperature combustion exhaust gas in the deodorizing furnace. And enable safe operation. Furthermore, the steam introduced into the second superheater is not limited to being guided from the first evaporator or the first superheater, but is also guided from the second evaporator, and the steam generated in the second evaporator is By making the flow rate adjustable to the inflow side of the 2 superheated parts, it is possible to adjust the temperature of the steam introduced into the combustor in a wider range.
[0016]
Here, the second superheated part is caused to flow by providing a piping system that bypasses the second superheated part and directs the steam flowing through the first superheated part to the steam outflow side of the second superheated part. Since the line leading to the combustor and the line leading to the combustor by bypassing the second superheater can be provided in parallel and the flow distribution of each line can be adjusted, the temperature of the steam injected to the combustor, that is, The degree of steam heating can be adjusted. Therefore, it is possible to adjust the amount of heat received by the steam resuperheater according to the degree of surplus steam while observing the supply and demand of steam, thereby adjusting the amount of steam generated by the subsequent evaporator / drum. In this way, it is possible to respond more precisely to the problem of adjusting the supply and demand balance of steam. Here, the bypass means not only diverting the entire flow of the line but also diverting a part thereof.
[0017]
Further, even when the deodorizing furnace is stopped due to periodic inspection or the like, the steam superheated in the first superheated part can be guided to the combustor without passing through the second superheated part. Thereby, operations such as inspection of the deodorizing furnace and its exhaust gas boiler can be performed separately from the operation of the gas turbine. In addition, if steam is introduced into the second superheated part when the deodorizing furnace is stopped, a part of the heat of the steam is lost from the heat transfer surface of the second superheated part because there is no combustion exhaust heat from the deodorizing furnace. However, such heat loss can be prevented.
[0018]
In addition, by providing a piping system that bypasses the first superheated portion and introduces the steam flowing into the first superheated portion to the steam inflow side of the second superheated portion, the first superheated portion to the second superheated portion. A line that leads to the combustor via the first evaporating section and a line that leads to the combustor via the second superheating section are provided in parallel, and the flow distribution of each line can be adjusted, so the steam injected into the combustor The temperature of the steam, that is, the degree of steam heating can be adjusted. Therefore, it is possible to adjust the amount of heat received by the steam resuperheater according to the degree of surplus steam while observing the supply and demand of steam, thereby adjusting the amount of steam generated by the subsequent evaporator / drum. In this way, it is possible to respond more precisely to the problem of adjusting the supply and demand balance of steam.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, one of the embodiments for improving the thermal efficiency of the system in the combined heat and power system including the deodorizing furnace will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a combined heat and power system to which the present invention is applied.
[0020]
The entire system is large: (1) Steam injection type gas turbine 1 equipped with a generator 105 (hereinafter simply referred to as a gas turbine) and combustion exhaust gas discharged from the gas turbine 1 is supplied to generate steam. A gas turbine side system having an exhaust heat recovery boiler 2 (hereinafter referred to as a gas turbine exhaust gas boiler), (2) a deodorizing furnace 3 for burning and decomposing a gas containing a volatile organic compound (VOC), and the deodorizing furnace 3 is a deodorizing furnace side system having an exhaust heat recovery boiler 4 (hereinafter referred to as a deodorizing furnace exhaust gas boiler) that generates steam upon receiving the supply of high-temperature combustion exhaust gas derived from 3, (3) raw water 50 from system 51 to system 21 And the water supply system distributed to the gas turbine exhaust gas boiler 2 and the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 respectively, and the steam generated from both systems (1) and (2) of (4), respectively, in the system 26 and system 46, respectively. Steamed through It leads to a header 65 consists finally steam supply system for supplying from the system 604 to the demand side of such production processes. Moreover, this system is provided with a steam resuperheater 47 in the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 which is a second superheater that superheats the steam injected into the gas turbine 1 as will be described later. Hereinafter, the basic operation of the system of the present invention will be described separately for each of the systems (1) to (4).
[0021]
First, the operation of the gas turbine side system (1) will be described below. In the gas turbine 1, the fuel 14 (78,700 MJ / h in the illustrated example, hereinafter, only the numerical value and the unit are described in parentheses in the illustrated example) is supplied from the system 13 into the combustor 102 and combusted. The combustion gas generated by the above is introduced into the turbine 103 to drive the turbine, and the driving force of the turbine 103 is transmitted to the generator 105 via the shaft 104 connecting the turbine 103 and the generator 105 to drive the generator 105. Generating power output. The combustion gas after driving the turbine 103 is still in a high temperature state (460 ° C.), and is introduced into the gas turbine exhaust gas boiler 2 via the system 17. As will be described later, superheated steam 16 introduced from the system 15 is injected into the combustor 102 (this superheated steam 16 is hereinafter referred to as injected steam). The purpose of the injected steam 16 is to increase the power generation output by further applying sensible heat to the combustion gas in the combustor 102, and to reduce the temperature by injecting steam into a particularly high-temperature combustion portion in the combustor 102. For example, the generation of thermal Nox is to be suppressed.
[0022]
In the exhaust gas flow path inside the gas turbine exhaust gas boiler 2, a superheater 27 as a first superheater that superheats the jet steam 16 to the gas turbine 1 in order from the upstream side along the flow of the exhaust gas, An evaporator 25 serving as a first evaporator for heating and evaporating boiler water led from a drum 24 described later, and a feed water preheater 22 for preheating water supplied from the system 21 are arranged. The high-temperature exhaust gas introduced from the system 17 exchanges heat with the superheater 27, the evaporator 25, and the feed water preheater 22, and cools itself (170 ° C.), and is discharged from the chimney 62 to the atmosphere via the system 61.
[0023]
On the other hand, water is supplied from the system 21 to the gas turbine exhaust gas boiler 2, and this water is led to the pump 229 and preheated into the feed water preheater 22, and then partly led to the pump 239. The temperature of the water that is circulated again from the system 23 to the system 21 and flows into the feed water preheater 22 is raised to 60 ° C. (from 20 ° C. of the raw water), and the rest is introduced into the drum 24. The drum 24 holds the water supplied from the feed water preheater 22 in this way, and a part of the water is supplied to the evaporator 25, and the steam generated in the evaporator 25 is supplied to the drum 24. Refluxed. The steam refluxed to the drum 24 becomes saturated steam, leaves the drum 24 from the system 261, and is distributed to the system 26 and the system 262. The saturated steam distributed to the system 262 is superheated by the superheater 27 described above to become superheated steam, while the saturated steam distributed to the system 26 is guided to the steam header 65.
[0024]
Next, the operation of the deodorizing furnace side system (2) will be described below. For example, a gas containing the volatile organic compound VOC generated in the VOC gas generation process 30 such as a painting process (hereinafter referred to as VOC gas) (flow rate 0 to 51000 Nm3 / h, temperature 40 ° C., concentration 500 to 3000 ppm) is: The system 31 introduces the heat storage body 32 provided in the deodorizing furnace 3. The VOC concentration refers to the concentration in terms of toluene of the VOC gas, which is obtained by converting various VOC gases having different compositions and calorific values or mixed gases into equivalent concentrations of toluene equivalent in calorific value. is there. Hereinafter, “ppm” and “concentration” refer to this toluene equivalent concentration.
[0025]
Since the heat storage body 32 has a honeycomb shape and allows gas to pass through and becomes high temperature due to the action described later, the VOC gas introduced into the heat storage body 32 is heated and then deodorized. 3 combustion chambers 33.
[0026]
In the combustion chamber 33, the introduced VOC gas is burned at a high temperature (850 ° C.), and the VOC component in the gas is oxidized by a combustion reaction to be decomposed into carbon dioxide and water or other oxides to be harmless. Is done. Part of the exhaust gas that has been burned at high temperature is introduced into the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 by the system 35 (0 to 15,000 Nm3 / h). The temperature in the combustion chamber 33 is kept within a predetermined set range determined in advance as described below. That is, when the concentration or air volume of the VOC gas introduced into the deodorizing furnace 3 is large, in other words, when the calorific value is high, the amount of high-temperature combustion exhaust gas extracted to the system 35 is increased, and the temperature inside the furnace is suppressed. Conversely, when the concentration or air volume of the VOC gas is small, in other words, when the calorific value is low, the amount of high-temperature combustion exhaust gas extracted to the system 35 is reduced to suppress a decrease in furnace temperature.
[0027]
As described above, the flow rate of the high-temperature combustion exhaust gas extracted into the system 35 is controlled, for example, by monitoring the temperature in the combustion chamber 33 and exceeding the upper limit value of a predetermined temperature range. The opening degree of the damper provided at the outlet is increased, and conversely, when the value falls below the lower limit of a certain temperature range, the damper provided at the outlet to the system 35 is closed. The flow rate of the high-temperature combustion exhaust gas extracted to the system 35 decreases as the calorific value (that is, the flow rate or concentration) of the VOC gas decreases. Becomes zero. In this case, in order to prevent the temperature in the combustion chamber 33 from further decreasing, the auxiliary fuel 39 is blown into the combustion chamber 33 from the burner 38 and burned to keep the furnace temperature within the aforementioned set range. .
[0028]
On the other hand, the remaining amount of the high-temperature combustion exhaust gas heats the heat storage body 36 of the deodorization furnace, and is cooled (to about 50 to 150 ° C. depending on the VOC gas conditions) and discharged to the atmosphere through the system 37. . The VOC gas inlet system 31 and the outlet system 37 to the deodorizing furnace 3 can be switched to each other between the heat storage body 32 and the heat storage body 36 to be connected at regular time intervals (for example, about every 60 to 90 seconds). As a result, in the heat storage body 32 and the heat storage body 36, the heat dissipation of the heat storage body by heating the inflow VOC gas and the heating of the heat storage body by cooling the high-temperature combustion gas are alternately repeated. By this action, as described above, the VOC gas introduced into the heat storage body 32 is heated. The gas rendered harmless by the above operation is discharged from the deodorizing furnace 3 by the system 35 and the system 37.
[0029]
The deodorizing furnace exhaust gas discharged from the system 35 is introduced into the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4. The deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 includes a feed water preheater 42 that heats water supplied to the exhaust gas boiler 4, a drum 44 that receives supply of hot water heated by the feed water preheater 42, and supply of hot water from the drum And an evaporator 45 serving as a second evaporator for recirculating and recirculating to the drum 44, and a gas turbine at a position upstream of the evaporator 45 along the flow of the exhaust gas. A steam resuperheater 47 is connected to the superheater 27 of the exhaust gas boiler, and is a second superheater that receives the heat of the high-temperature combustion exhaust gas from the deodorizing furnace discharged from the system 35 and superheats the steam. Yes.
[0030]
Exhaust gas introduced into the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 is exchanged with the steam resuperheater 47, the evaporator 45, and the feed water preheater 42 in order along the flow, and the temperature of the exhaust gas is lowered to about 170 ° C. After that, it is discharged from the chimney 64 into the atmosphere. On the other hand, the water (about 20 ° C.) introduced from the system 41 to the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 is led to the pump 429 and enters the feed water preheater 42 to be heated and partly led to the pump 439. The water is then circulated again from the system 43 to the system 41 to raise the temperature of the water flowing into the feed water preheater 42 to 60 ° C., while the remainder is led to the drum 44. The water introduced into the drum 44 is supplied to the evaporator 45 and recirculates to the drum 44 as steam, and is further taken out as saturated steam by the system 46 and led to the steam header 65. Further, the steam resuperheater 47 is introduced with the steam superheated by the superheater 27 of the gas turbine exhaust gas boiler 2 described above from the system 401, and this steam receives the heat of the high-temperature combustion exhaust gas flowing from the system 35 and rises. After being heated, it is guided to the steam injection path 15 to the gas turbine 1 through the system 402 and injected into the combustor 102 of this gas turbine. In this way, the

systems

262, 401, and 402 form a piping system in which a part of the steam generated in the evaporator 25 is sequentially passed through the superheater 27 and the steam resuperheater 47 and injected into the combustor 102. Yes.
[0031]
The operation of the water supply system in (3) is described below. In the water supply system, the raw water 50 (about 20 ° C.) passes through the water treatment device 53 and the hot well tank 54 from the system 51, and the system 21 that is the water supply pipe to the gas turbine exhaust gas boiler 2 is deodorized by the pump 219. It is led to a system 41 which is a feed water pipe to the furnace exhaust gas boiler 4. The feed water flow rates to the system 21 and the system 41 are controlled by the discharge flow rates of the pump 229 and the pump 429, respectively. As the water treatment device 53, a water softening device, a pure water production device or the like may be used.
[0032]
The operation of the steam supply system in (4) is described below. In the steam supply system, the steam generated from the gas turbine side system (1) and the deodorization furnace side system (2) is led to the steam header 65 (header steam pressure 20 atg) via the system 26 and the system 46, respectively. In addition, a three-way valve 406 provided in the middle of the path 15 where a part of the steam superheated by the steam re-steam re-superheater 47 described above is led from the re-steam re-superheater 47 to the gas turbine combustor 102. It is led to the steam header 65 through the system 404 led out more. The flow rate of the steam guided to the system 404 is adjusted according to the desired amount of steam injected into the gas turbine combustor 102. The three-way valve 406 improves the output of the gas turbine 1 by increasing the amount of steam flowing through the path 15, and increases the amount of steam supplied to the production process by increasing the amount of steam guided to the system 404. It has become. That is, for example, assuming that the amount of steam generated in the drum 24 is S1 [ton / hour] and the flow rate of the injected steam 16 to the combustor 102 is S2 [ton / hour], the flow rate of the system 404 is obtained by subtracting S2 from S1. The quantity S3 = S1-S2 [ton / hour]. The steam guided to the steam header 65 in this way is stored in the steam accumulator 67 from the system 69 via the pressure reducing valve 699 or via the system 66, and then decompressed, and from the system 68, the steam header 603 ( Header steam pressure 5atg). The steam guided to the steam header 603 is sent to the production process on the demand side via the system 604.
[0033]
In addition, in factories such as the chemical industry and the electrical machinery industry, demand for electric power and heat often changes every moment. Therefore, for efficient operation of the combined heat and power system, it is important to generate electric power and steam in accordance with fluctuations in demand for these electric power and heat, and to consume them without being left over. For this reason, the capacity | capacitance of a gas turbine is determined so that the rated power generation output of a gas turbine may become lower than the electric power demand in a demand side system | strain in the time zone of most of the assumption driving | operation hours of the year. And with respect to the power demand in the demand side system, the amount of power is insufficient only with the power supplied from the gas turbine, but this shortage is covered by receiving power from the commercial power system (not shown). . Furthermore, similarly for steam in the demand side system, the amount of steam is often insufficient only with the steam supplied from the gas turbine side system, but in order to cope with this shortage in advance, for example. A once-through boiler 601 is installed, and a deficient steam is generated in the once-through boiler 601 and supplied to the steam header 603 via the 602.
[0034]
The operation of the system described above has the following effects. That is, as described above, in this system, the superheated steam generated in the superheater 27 provided in the gas turbine exhaust gas boiler 2 is further passed through the system 401 to the re-steam resuperheater 47 provided in the deodorizing furnace exhaust gas boiler. Led and overheated again. As a result, the steam injected from the system 15 to the gas turbine combustor 102 is heated to a higher temperature than when the steam is directly injected from the superheater 27 of the gas turbine exhaust gas boiler 2 to the gas turbine combustor 102. And then introduced into the combustor 102. That is, in the present system, the amount of heat brought into the gas turbine combustor 102 can be increased by providing the steam resuperheater 47 and reheating the injected steam 16. As a result, the upper limit of the amount of heat supplied to the combustor 102 is increased, so that the range for adjusting the supply amount of electric power and steam can be expanded, and the generation of excess steam in the deodorizing furnace side system is suppressed. be able to.
[0035]
The influence of the increase in the heat input to the gas turbine combustor 102 on the performance of the gas turbine 1 will be described as follows. First, the output of the generator 105 of the gas turbine 1 increases as the temperature in the combustor 102 increases as long as the specifications of the turbine portion 103 are the same. In the combustor 102, the fuel 14 and the combustion air 12 are supplied from the system 13 and the system 11, respectively, and are combusted, and the injection steam 16 is supplied from the system 15. Is determined by the supply flow rate of the fuel 14 and the temperature and flow rate of the injection steam 16. On the other hand, the temperature in the combustor 102 has a certain allowable upper limit value depending on the heat-resistant temperatures of the combustor 102 and the constituent materials of the gas turbine 1.
[0036]
Therefore, as described above, when the amount of heat input to the combustor 102 increases, there is one of the following effects depending on the operation method of the gas turbine. First, as a method for controlling the operation of the gas turbine 1, the temperature in the combustor 102 is kept lower than the allowable upper limit value, and the temperature in the combustor 102 is increased as the heat input increases. When it is allowable to increase a certain amount, that is, for example, when there is room to further increase the temperature in the combustor 102 in view of the heat-resistant temperature of the material, the increase in the amount of heat brought into the injection steam 16 Since the temperature in the combustor 102 rises, the output of the gas turbine generator 105 is improved. That is, in this case, the power generation output can be increased.
[0037]
Second, as a method for controlling the operation of the gas turbine 1, when a temperature control method that maintains the temperature in the combustor 102 at a constant value within a range close to the allowable upper limit value, that is, for example, combustion of the gas turbine When the temperature in the combustor 102 has no room for temperature rise (for reasons such as the heat-resistant temperature of the material), in order to suppress the temperature rise in the combustor 102 as an operating method of the gas turbine 1, Operation control is performed so as to reduce the amount of fuel 14 to be injected into the combustor 102 in accordance with the increase in the amount of heat brought into the injection steam 16. Therefore, in this case, fuel consumption can be reduced.
[0038]
In both the first and second cases, the power generation efficiency can be improved. The power generation efficiency is represented by the ratio between the power generation output s of the gas turbine and the amount of heat of the input fuel (fuel heat input). In the first case, the power generation output increases and in the second case the fuel heat input decreases. In this case, power generation efficiency increases.
[0039]
Therefore, in summary, in this system, the steam resuperheater 47 is provided to further increase the amount of heat supplied to the combustor 102 by further superheating the steam generated in the superheater 27, thereby responding to an increase in demand for electric power. As a result, it is possible to improve the flexibility of the supply balance between electric power and heat. Furthermore, by recovering the heat with the steam resuperheater 47 and supplying it to the combustor 102, the amount of steam generated in the evaporator 45 can be reduced and the surplus with respect to the demand amount of steam can be suppressed. Enables improvement of heat recovery efficiency. In addition, since the amount of heat supplied to the combustor 102 increases, naturally, the power generation output of the gas turbine generator 105 can be improved, or the fuel consumption of the gas turbine 1 can be reduced. The power generation efficiency of 1 can be improved.
[0040]
An example of improving the power generation efficiency by introducing the re-steam resuperheater 47 will be described with reference to Table 1. Here, the content of efficiency improvement is evaluated as a fuel reduction effect. As shown in the table, when the re-steam reheater 47 is not introduced, the fuel heat input to the gas turbine is 78,700 MJ / h, the power generation output is 7,210 kW, and the power generation efficiency is 33.0%. When the steam resuperheater 47 is introduced, the amount of heat brought into the steam increases, so that the heat input of fuel can be reduced to 77,600 MJ / h while maintaining the same power generation output, thereby improving the power generation efficiency to 33.5%. .
[0041]
[Table 1]

The system of the present invention is provided with various bypass paths and valves for operating in response to a pause in equipment, an abnormally high steam temperature, or the like. Regarding these, hereinafter, the operation method when the gas turbine side system is at rest, the operation method when the deodorization furnace side system is at rest, and the operation method when the steam is at an abnormally high temperature are taken as examples. To explain.
[0042]
The operation method when the gas turbine system is stopped due to periodic inspections will be described. When the gas turbine equipment is not operating, if there is no steam passing through the steam resuperheater 47 provided in the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4, the steam resuperheater 47 receives the high temperature combustion exhaust gas from the deodorizing furnace 3 described above. The amount of heat generated cannot be given to the steam, resulting in an abnormally high temperature, resulting in an baked state and damage. In order to prevent this, this system includes a bypass path 48 and a valve 489 which are piping systems for introducing saturated water or saturated steam from the drum 44 of the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4. (Here, the valve refers to a means for opening and closing the flow path or adjusting the opening thereof. The same applies to the following). The operation of the bypass path 48 and the valve 489 is to introduce steam or saturated water into the steam resuperheater 47 through the system 48 by opening the valve 489 as shown in the column at the time of gas turbine shutdown in Table 2, while 405 and valve 407 are closed and separated from the steam system on the gas turbine side.
[0043]
The operation method when the deodorizing furnace side system is stopped due to periodic inspections, etc. will be described. When the deodorizing furnace 3 is stopped, the steam resuperheater 47 for resuperheating the steam guided from the superheater 27 of the gas turbine exhaust gas boiler 2 does not heat the steam but rather dissipates heat in the heat transfer portion. This causes heat loss. In order to avoid such heat loss, this system includes a bypass path 403, a valve 407, and a valve 405. The operation is as shown in the column when the deodorizing furnace is stopped in Table 2. By opening the valve 407, the steam exiting the superheater 27 is led from the system 403 to the system 402, while the

valves

405 and 408 are closed. Thus, the flow of steam to the steam resuperheater 47 is shut off.
[0044]
A method for dealing with an abnormally high temperature of the steam will be described here by taking an operation method for preventing the injected steam 16 to the gas turbine 1 from becoming an abnormally high temperature. The temperature of the injection steam 16 injected into the combustor 102 of the gas turbine 1 has an upper limit value depending on the heat-resistant temperature, heat balance, and other factors around the combustor 102. In the example of FIG. About 350 ° C. When the exhaust gas from the gas turbine 1 or the deodorizing furnace 3 is heated to a high temperature or the flow rate is increased due to some abnormality, the amount of heat received by the superheater 27 or the steam resuperheater 47 increases from the design value, and the injected steam 16 The temperature may exceed 350 ° C and become abnormally high. In order to prevent this, in the present system, the bypass path 28 and the valve 289, which are piping systems that bypass the superheater 27 and bypass the superheater 27 to the steam inflow side of the reheater superheater 47, and the superheater. 27 is provided with a bypass path 403 and a valve 407 of the steam resuperheater 47, which is a piping system that bypasses the steam resuperheater 47 and leads it to the steam outlet side of the steam resuperheater 47.
[0045]
As an example of the operation method, a temperature measurement end is provided in the steam injection path 15 to acquire a temperature information signal of the injected steam 16, and when this signal is monitored and the set temperature (350 ° C.) is exceeded, the first stage As described above, by restricting the opening degree of the valve 279 and increasing the opening degree of the valve 289, the flow rate passing through the system 28 is increased by bypassing the superheater 27, thereby suppressing the abnormally high temperature and controlling in this way. Even if the temperature of the injected steam 16 does not become lower than the set temperature, the steam resuperheater 47 is further reduced as a second stage by reducing the opening of the valve 405 and increasing the opening of the valve 407. To increase the flow rate through system 403. Alternatively, as another operation example, a valve 359 and a discharge path 70 are provided in the middle of the system 35 through which the high-temperature combustion exhaust gas of the deodorization furnace is passed to release the high-temperature combustion exhaust gas to the atmosphere without being guided to the deodorization furnace exhaust gas boiler 4. When the temperature of the jet steam 16 exceeds the set temperature, the opening of the valve 359 is manipulated so that the exhaust gas flow rate to the discharge path 70 is increased, thereby controlling the abnormal high temperature of the jet steam 16. May be.
[0046]
[Table 2]

In the operation method of the present system described above, the steam flow is generated in the gas turbine exhaust gas boiler 2 as the steam generated in the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 is finally supplied to the production process via the steam header 65. A part of the steam is led to the steam injection path 15 to the gas turbine 1 through the superheater 27 and the steam resuperheater 47, and the rest is led to the steam header 65 from the system 26 or 404 and supplied to the production process. Is done. On the other hand, it is also possible to open the valve 489 and supply steam to the bypass path 48 from the deodorizing furnace exhaust gas boiler drum 44 to the steam resuperheater 47 for operation. That is, around the gas turbine exhaust gas boiler superheater 27, the flow rate between the system 279 and the system 289 is distributed by adjusting the opening of the valve 279 and the valve 289 to adjust the amount of heat received from the exhaust heat of the gas turbine 1, In addition, around the steam resuperheater 47, the amount of heat received from the exhaust heat from the deodorizing furnace 3 is adjusted by distributing and adjusting the flow rate between the system 47 and the system 403 by adjusting the opening degree of the

valves

405, 489 and 407. it can.
[0047]
In this case, since the steam to be used for reheating the steam can be taken not only from the gas turbine exhaust gas boiler 2 but also from the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4, the amount of heat received by the steam resuperheater 47, that is, the total heat absorption amount. Can be increased. In this case, it is possible to convert the surplus energy of the steam into electric power energy and absorb it in a wider range with respect to the problem of surplus steam described above.
[0048]
In addition, embodiment of the cogeneration system by this invention is not limited to the example of FIG. 1 demonstrated above. For example, the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 has been described as a water pipe type having a drum 44, but is not limited to this, and a furnace head smoke pipe type or a once-through type may be used as long as it generates steam using exhaust heat. Other types may be used. Similarly, the type of the exhaust gas boiler 2 of the gas turbine 1 has been described as an example of a water tube type equipped with a superheater. However, the present invention is not limited to this, and any type that generates steam using exhaust heat can be used. For example, the same water tube type without the superheater 27 may be used.
[0049]
Similarly, the case where the injection steam 16 to the gas turbine 1 is superheated steam has been described as an example, but may be saturated steam. Similarly, with respect to the water supply to the exhaust gas boiler 4 and the exhaust gas boiler 2, the example in which the water supplied to the feed water preheater 42 and the feed water preheater 22 is circulated by the system 43 and the system 23 and heated is shown. The heater may not be heated by, and may not have the feed water preheater 42 or the feed water preheater 22. Similarly, the bypass passage 48 from the drum 44 of the deodorizing furnace exhaust gas boiler 4 to the steam reheating means 47 has been described as passing steam. However, saturated water may be extracted from the same drum 44, and in this case, steam recirculation may be performed. The amount of heat absorbed by the heating means can be increased. In addition, it goes without saying that the numerical values shown in FIG. 1 and the above-described embodiment are only one example.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the flexibility of the supply balance of power and heat in the combined heat and power system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing a combined heat and power system according to an embodiment to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
2 Gas turbine exhaust gas boiler
3 Deodorization furnace
4 Deodorizing furnace exhaust gas boiler
47 Steam resuperheater
102 Combustor
105 Generator

Claims

A gas turbine driven by the combustion gas by burning fuel with compressed air, a generator driven by the gas turbine, and a first evaporator for generating steam by heat of combustion exhaust gas of the gas turbine And a gas turbine exhaust gas boiler having a first superheated portion, a deodorizing furnace for burning volatile organic compound gas, and steam generated from the combustion exhaust gas having a temperature higher than the combustion exhaust gas of the gas turbine discharged from the deodorizing furnace. A deodorizing furnace exhaust gas boiler having a second evaporation section and a second superheat section to be generated, and a piping system for supplying steam generated in the first evaporation section and the second evaporation section to the demand side, A piping system is provided for sequentially passing a part of the steam generated in the first evaporation section through the first superheating section and the second superheating section and injecting the steam into the combustor, and the first superheating section. Flow into Cogeneration system in which a piping system the gas by bypassing the heating portion of the first lead to the steam inlet side of the second heating portion.

The combined heat and power system according to claim 1 , further comprising a piping system that joins a part of the steam generated in the second evaporator to the steam inflow side of the second superheater.

To claim 1 or 2, characterized in that a piping system for guiding the first superheating zone was passed steam to the steam outlet side of the second heating portion of the by bypass second overheating portion The combined heat and power system described.