JP4287962B2 - 発電複合プラント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを発生するプラント、及び、プラントから発生するガスを動力源とする膨張タービンと、膨張タービンによって駆動される発電機とを組み合わせた発電装置を備え、膨張タービンの排気ガスをプラントの冷熱源として利用するようにした発電複合プラントに関し、更に詳細には、プラントの運転条件に影響を与えることなく発電機の出力を制御できるようにした発電複合プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学工場、ガス製造工場、石油精製工場等では、プラントと複合させた発電装置を備えて、工場のエネルギー効率の向上を図っているところが多い。
このような工場で使用される発電装置は、プラントから発生する高圧のガスを動力源とする膨張タービンと、膨張タービンによって駆動される発電機を組み合わせたものが多い。膨張タービンは、高圧のガスをタービンに導入し、断熱膨張させて、吸入側と排気側とのエネルギー差により発電機を駆動するタービンである。
そして、更に一層複合化されたプラントでは、膨張タービンで断熱膨張したガスの排気温度が吸気温度よりも低下することを利用して、膨張タービンの排気ガスをプラントに必要な冷熱源として利用している。
【０００３】
ここで、図２を参照して、プラントと発電機と複合させた発電複合プラントの一例の構成を説明する。図２は発電複合プラントの構成を示すフローシートである。
例とした発電複合プラント１０は、ガスと吸収液とを気液接触させてガス中の不純物を吸収液によって吸収、除去し、不純物濃度の低い精製ガスを流出させる吸収塔を備えたプラントであって、図２に示すように、プラント内の別のガス生成装置（図示せず）で生成したガス中の不純物を除去してガスを精製するガス精製装置１２と、ガス精製装置１２から流出する高圧ガスを膨張タービンの駆動ガスとして利用して発電機を回転させ、発電する発電装置１４との複合装置である。
【０００４】
ガス精製装置１２は、ガス中の不純物を吸収液で吸収する吸収塔１６と、吸収塔１６から流出した吸収液中のガス成分を分離するフラッシュ塔１８と、フラッシュ塔１８で分離されたガス成分を圧縮して吸収塔１６に戻す電気モータ駆動の圧縮機１９と、フラッシュ塔２０から流出した吸収液を再生して吸収塔１６に戻す再生塔２０とを備えている。
【０００５】
吸収塔１６の下部には、吸収塔１６に精製すべき圧力の高いガスを流入させるガス流入管２２が、吸収塔１６の塔頂には、精製された圧力の高いガスを流出させるガス流出管２４が、吸収塔１６の上部には、ガス中の不純物を吸収する吸収液を流入させる吸収液流入管２６が、及び、ガス中の不純物を吸収した吸収液を流出させる第１吸収液流出管２８が吸収塔１６の塔底に、それぞれ、接続されている。
また、吸収塔１６の中段には、吸収液冷却器３０が設けられ、吸収塔１６から吸収液の一部を抜き出し、後述するように膨張タービンから排気された温度の低い排気ガスを利用して、抜き出した吸収液を冷却して、吸収塔１６で発生する吸収熱を除去する。
【０００６】
フラッシュ塔１８の中段には、吸収塔１６の塔底からの第１吸収液流出管２８が、フラッシュ塔１８の塔頂には、フラッシュ塔１８で分離されたガス成分を流出させる分離ガス流出管３２が、及び、フラッシュ塔１８の塔底には、ガス成分が分離された吸収液を流出させる第２吸収液流出管３４が、それぞれ、接続されている。
分離ガス流出管３２は、圧縮機１９の吸入側に接続され、圧縮機１９の吐出側は、ガス流入管２２に接続されている。
第２吸収液流出管３４は、吸収液ポンプ３６及び熱交換器３８を経て再生塔２０に接続されている。
【０００７】
再生塔２０に流入した吸収液は、再生塔２０で再生された後、再生吸収液ポンプ４０によって抜き出され、熱交換器３８を経て冷却された後、吸収液流入管２６を通って吸収塔１６に導入される。
【０００８】
発電装置１４は、膨張タービン４２と、膨張タービン４２によって駆動され、発電する発電機４４とから構成されている。
【０００９】
ところで、化学工場、ガス精製工場、石油精製工場等では、常に一定量の電力を必要としている訳ではなく、必要な電力量は、プラントの運転条件に応じて変動している。従って、必要な電力量の大小に応じて、発電機の出力を調節することが必要である。
そこで、発電機の出力を調節する方法として、図２に示すように、ガバナー弁４６と発電機４４の出力制御装置４７とを設け、出力制御装置４７によってガバナー弁４６の弁開度を調節して、膨張タービンに入る高圧ガスの圧力を変化させている。また、膨張タービンの入口可変翼の角度を調節して、膨張タービン４２の駆動出力を調整する方法もある。
更に、流量調節弁４８を設けたバイパス管４９を膨張タービン４２のバイパスとして設け、出力制御装置４７によって流量調節弁４８の開度を調節し、膨張タービン４２の出力を調整している。
【００１０】
次に、図２を参照して、上述した発電複合プラント１０の運転条件の一例を説明する。
プラント内のガス生成装置（図示せず）で生成した温度４０℃、圧力６，０５０ｋＰａの生成ガスを、ガス流入管２２経由、吸収塔１６に流入させる。
生成ガスは、吸収液流入管２６を経由して吸収塔１６の上部から流入した吸収液と気液接触し、生成ガス中の不純物が吸収液に吸収され、精製されたガスとなる。
精製されたガスは、吸収塔１６の塔頂から温度５０℃でガス流出管２４を経由して流出し、膨張タービン４２の吸入側に導入され、膨張タービン４２内で断熱膨張して膨張タービン４２に駆動エネルギーを与えると共に温度５℃、圧力３，０００ｋＰａの排気ガスとなって流出する。
これにより、膨張タービン４２は発電機４４を駆動し、発電させる。
【００１１】
排気ガスは、吸収液冷却器３０に流入し、吸収塔１６から一部抜き出された温度５０℃の吸収液を２５℃に冷却することにより、３０℃に昇温して、別の設備に、例えば燃焼用ガスとしてガスタービン（図示せず）に送られる。
これにより、吸収塔１６で発生する吸収熱を除去して、吸収塔１６の熱バランスが保持される。
【００１２】
不純物を吸収した吸収液は、吸収塔１６の塔底から流出し、第１吸収液流出管２８を介して圧力７１０ｋＰａのフラッシュ塔１８に流入し、フラッシュ塔１８で吸収液に吸収されたガス成分を放出する。
温度３０℃でフラッシュ塔１８で放出されたガス成分は、分離ガス流出管３２を通って圧縮機１９に入り、圧力６，２５０ｋＰａに昇圧された後、ガス生成装置（図示せず）からの生成ガスに合流して吸収塔１６に供給される。
フラッシュ塔１８でガス成分を放出した吸収液は、吸収液ポンプ３６によってポンピングされ、熱交換器３８を経て昇温された後、再生塔２０に入り、再生される。
再生された吸収液は、再生吸収液ポンプ４０によってポンピングされ、熱交換器３８で温度４５℃に冷却された後、吸収塔１６に供給される。
【００１３】
本発電複合プラント１０では、３００，０００ｋｇ／ｈｒの流量の生成ガスを吸収塔１６に送入することにより、５，８００ｋＷの発電を行うことができる。また、フラッシュ塔１８で４１，０００ｋｇ／ｈｒのガス成分が発生し、圧縮機１９の動力として１，７００ｋＷを必要とする。
【００１４】
発電複合プラント１０では、発電機４４の発電出力が設定出力より大きいときには、出力制御装置４７が、ガバナー弁４６及びバイパス管４９の流量調節弁４８の少なくとも一方の弁開度を調整して、入口側のガス流量を減少させ、又は膨張タービン４２のタービン室に入るガス条件を変更して膨張タービン４２の出力を低下させることにより、発電機４４の発電出力を低下させる。
また、発電機４４の発電出力が設定出力より小さいときには、出力制御装置４７が、ガバナー弁４６及び流量調節弁４８の少なくとも一方の弁開度を調整して、入口側のガス流量を増大させ、又はガス条件を変更して膨張タービン４２の出力を増大させることにより、発電機４４の発電出力を増大させる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発電複合プラント１０では、上述したように、ガバー弁４６を調節して膨張タービン４２に入る精製ガスの条件を調整することにより、或いは流量調節弁４８の弁開度を調節して膨張タービン４２に入る精製ガスの流量を調節することにより、発電機４４の発電出力を調整している。
しかし、このような方式によって発電機４４の発電出力を調整すると、膨張タービンからの排気ガスの流量及び温度が変化するために、膨張タービン４２の排気ガスを冷熱源とする吸収液冷却器３０の冷却熱量が変化する。その結果、吸収塔１６の熱バランスを維持することが難しくなり、吸収塔１６の運転条件が変化するという事態を招く。
特に、発電機４４の出力を低下させるために、自動弁４８の弁開度を調節して膨張タービン４２に入る精製ガスの流量を調節する方式では、膨張タービン４２のエネルギー効率が著しく低下して、排気ガスの温度が大きく上昇し、冷熱源の条件が一層悪くなる。
【００１６】
そこで、上述のような状況に照らして、本発明の目的は、プラントから発生するガスを動力源とする膨張タービンと発電機を組み合わせて発電装置を構成し、膨張タービンの排気ガスをプラントの冷熱源として利用する際、冷熱量を一定に維持しつつ発電機の出力を制御するようにした構成を備える発電複合プラントを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、膨張タービンの出力を調整して発電機の出力を制御する方式に代わって、回転駆動動力を必要とする圧縮機を発電機に直列に接続し、圧縮機の所要動力を調節することにより、膨張タービンの出力を一定に保持しつつ発電機の出力を調整する方式を着想した。それは、ガスを発生するプラントには、ガスを圧縮する圧縮機が、通常、設けられているからである。
そして、本発明者は、この着想に基づいて、更に研究を進め、本発明を完成するに到った。
【００１８】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る発電複合プラントは、ガスを発生するプラント、及び、プラントで発生するガスを動力源とする膨張タービンと、膨張タービンによって駆動される発電機とを組み合わせた発電装置を備え、膨張タービンの排気ガスをプラントの冷熱源として利用するようにした発電複合プラントにおいて、
膨張タービンの動力源用のガスとは別の第２のガスを圧縮するためにプラントの構成機器の一つとしてプラントに設けられた圧縮機の駆動軸と発電機の駆動軸とを同軸で直列に連結し、直列に連結された圧縮機と発電機とを膨張タービンによって駆動する駆動機構と、
圧縮機の吐出側配管から吸入側配管に接続され、かつ流量調節弁を備えて、戻りガス流量を調節しつつ圧縮機の吐出側から吸入側に第２のガスを戻すようにした戻し管と、
戻し管の流量調節弁の調節により第２のガスの戻り流量を調節して、発電機の発電出力が設定出力になるように圧縮機の所要動力を調整する出力制御装置と
を備えることを特徴としている。
【００１９】
本発明では、発電機の発電出力が設定出力より大きいときには、出力制御装置が、圧縮機の戻し管の流量調節弁の弁開度を大きくして第２のガスの戻り流量を増大させ、圧縮機に流入する第２のガスの流量を増大して圧縮機の所要動力を増大させることにより、膨張タービンの出力を一定に維持つつ発電機の発電出力を低下させる。
また、発電機の発電出力が設定出力より小さいときには、出力制御装置が、圧縮機の戻し管の流量調節弁の弁開度を小さくして第２のガスの戻り流量を小さくし、圧縮機に流入する第２のガスの流量を低減して圧縮機の所要動力を小さくすることにより、膨張タービンの出力を一定に維持つつ発電機の発電出力を増大させる。
本発明では、発電機の設計出力は、膨張タービンの出力から、設計流量の第２のガスを圧縮するのに要する圧縮機の所要動力を差し引いたものである。
【００２０】
尚、圧縮機の吐出側から吸入側にガスを戻すようにした戻し管は、圧縮機が許容最小流量以下で運転されるのを防ぐ目的で、本来的に設置するものであり、従来、常時、圧縮機の吸入流量を監視し、最小流量以下では流量調節弁を開いて、圧縮機の吸入流量を増加し、許容最小流量になるように制御する。
【００２１】
本発明では、その戻し管を、本来の目的である圧縮機の保護に加え、発電機の出力制御にも利用している。
即ち、発電機の発電出力が、設定出力より小さい時には、出力制御装置が、圧縮機の戻し管の流量調節弁の弁開度を小さくし、圧縮機に流入するガスの流量を低減して圧縮機の所要動力を小さくすることにより、発電機の発電出力を増大させることができる。
【００２２】
ところで、圧縮機の戻し管の流量調節弁は、出力制御装置に加え、圧縮機に設けた吸入流量制御装置からも制御され、吸入流量がある設定値以下には下がらないようになっている。従って、圧縮機の所要動力もある一定値以下には下がらず、圧縮機の動力調整の範囲を超えて発電機の発電出力を上げるには、膨張タービンの出力を上げる必要がある。
尚、圧縮機に設けられた吸入流量制御装置は、本発明には直接関係しないので、本明細書では、これ以上は言及しない。
【００２３】
本発明は、プラントで発生するガスを動力源とする膨張タービンと、膨張タービンによって駆動される発電機とを組み合わせた発電装置を備え、膨張タービンの排気ガスをプラントの冷熱源として利用するようにした発電複合プラントであって、膨張タービンの動力源用のガスとは別の第２のガスを圧縮する圧縮機を有するプラントである限り、適用できる。
例えば、本発明の好適な実施態様では、プラントが、ガスと吸収液とを気液接触させてガス中の不純物を吸収液によって吸収、除去し、不純物濃度の低い精製ガスを流出させる吸収塔を備え、
膨張タービンを駆動するガスが、吸収塔から流出する精製ガスであり、膨張タービンの排気ガスが、吸収塔の吸収熱を除去するために吸収塔から吸収液の一部を抜き出して冷却し、冷却した吸収液を吸収塔に戻す吸収液冷却器の冷媒として使用され、圧縮機は、吸収塔に導入するガスの一部を圧縮するようになっている。
【００２４】
圧縮機の所要動力が発電機の所要動力に比べて小さいときには本発明の効果が小さいので、好適には、圧縮機の所要動力が、発電機の所要動力の１／３倍以上１倍以下である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る発電複合プラントの実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の発電複合プラントの構成を示すフローシートである。図１中、図２と同じ機器、配管には同じ符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態例の発電複合プラント５０は、ガスと吸収液とを気液接触させてガス中の不純物を吸収液によって吸収、除去し、不純物濃度の低い精製ガスを流出させる吸収塔を備えたプラントであって、図１に示すように、一部の構成、即ち発電装置５１の構成を除いて前述した発電複合プラント１０と同じ構成を備えている。
【００２６】
本実施形態例の発電装置５１は、図１に示すように、フラッシュ塔１８で分離されたガス成分を圧縮する圧縮機１９の駆動軸と発電機４４の駆動軸とを同軸で直列に連結し、直列に連結された圧縮機１９と発電機４４とを膨張タービン４２によって駆動する駆動機構と、圧縮機１９の吐出側配管から吸入側配管に接続され、かつ流量調節弁５２を備えて、戻り流量を調節しつつ圧縮機の吐出側から吸入側に第２のガスを戻すようにした戻し管５４と、発電機４４の発電出力が設定出力になるように、流量調節弁５２の弁開度を調節して、第２のガスの戻り流量を調整する、出力制御装置５６とである。
本実施形態例では、発電複合プラント５０の運転条件が、ガスの流入流量、温度、圧力等に関し、従来の発電複合プラント１０と同じ運転条件であるとしたとき、発電機４４の出力は５，８００ｋＷ、圧縮機１９の所要動力は１，７００ｋＷであって、膨張タービン４２の所要出力は７５，０００ｋＷである。
【００２７】
本実施形態例の発電複合プラント５０では、発電機４４の発電出力が設定出力より大きいときには、出力制御装置５６が、圧縮機１９の戻し管５４の流量調節弁５２の弁開度を大きくして分離ガスの戻り流量を増大させ、圧縮機１９に流入する分離ガスの流量を増大して圧縮機１９の所要動力を増大させることにより、膨張タービン４２の出力を一定に維持つつ発電機４４の発電出力を低下させるように動作する。
また、発電機４４の発電出力が設定出力より小さいときには、出力制御装置５６が、圧縮機１９の戻し管５４の流量調節弁５２の弁開度を小さくして分離ガスの戻り流量を小さくし、圧縮機１９に流入する分離ガスの流量を低減して圧縮機１９の所要動力を小さくすることにより、膨張タービン４２の出力を一定に維持つつ発電機４４の発電出力を増大させる。
【００２８】
尚、本実施形態例では、膨張タービン４２のバイパス管４９に設けた流量調節弁４８は常時の発電機４４の出力制御には使用されず、発電複合プラント５０のスタートアップ（装置起動）、シャットダウン（装置停止）及び緊急用の設備である。
また、ガバナー弁４６は、膨張タービン４２の運転条件を長期間にわたり変更する場合等に使用される。
【００２９】
よって、本実施形態例では、膨張タービン４２の出力が一定であるから、排気ガスの流量及び条件も一定になり、従って吸収液冷却器３０での冷却熱量も一定になって、吸収塔１６の運転条件が変動しない。
本実施形態例では、更に、圧縮機１９の駆動装置が不要であるという効果もあり、更には本実施形態例では、従来の発電複合プラント１０では無駄にしていた膨張タービン４２の余剰出力を圧縮機１９の駆動動力として使用しているので、プラント全体の所要エネルギーを大幅に、例えば本実施形態例では、１，７００ｋＷの大きな所要エネルギーを節減することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、膨張タービンの動力源用のガスとは別の第２のガスを圧縮するためにプラントの構成機器の一つとしてプラントに設けられた圧縮機の駆動軸と発電機の駆動軸とを同軸で直列に連結して膨張タービンによって駆動する。そして、圧縮機の吐出側配管から吸入側配管に接続され、かつ流量調節弁を備えて、戻り流量を調節しつつ圧縮機の吐出側から吸入側に第２のガスを戻すようにした戻し管と、発電機の発電出力が設定出力になるように、流量調節弁の弁開度を調節して、第２のガスの戻り流量を調整する、出力制御装置とを備えることにより、冷熱量を一定に維持しつ発電機の出力を制御するようにした構成を備える発電複合プラントを実現している。
また、本発明は圧縮機に必要であった独立の駆動装置と所要動力を不要にできる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の発電複合プラントの構成を示すフローシートである。
【図２】従来の発電複合プラントの構成を示すフローシートである。
【符号の説明】
１０ 従来の発電複合プラント
１２ ガス精製装置
１４ 発電装置
１６ 吸収塔
１８ フラッシュ塔
１９ 圧縮機
２０ 再生塔
２２ ガス流入管
２４ ガス流出管
２６ 吸収液流入管
２８ 第１吸収液流出管
３０ 吸収液冷却器
３２ 分離ガス流出管
３４ 第２吸収液流出管
３６ 吸収液ポンプ
３８ 熱交換器
４０ 再生吸収液ポンプ
４２ 膨張タービン
４４ 発電機
４６ ガバナー弁
４７ 出力制御装置
４８ 流量調節弁
４９ バイパス管
５０ 実施形態例の発電複合プラント
５２ 流量調節弁
５４ 戻し管
５６ 出力制御装置

Claims (3)

1. ガスを発生するプラント、及び、プラントで発生するガスを動力源とする膨張タービンと、膨張タービンによって駆動される発電機とを組み合わせた発電装置を備え、膨張タービンの排気ガスをプラントの冷熱源として利用するようにした発電複合プラントにおいて、
   膨張タービンの動力源用のガスとは別の第２のガスを圧縮するためにプラントの構成機器の一つとしてプラントに設けられた圧縮機の駆動軸と発電機の駆動軸とを同軸で直列に連結し、直列に連結された圧縮機と発電機とを膨張タービンによって駆動する駆動機構と、
   圧縮機の吐出側配管から吸入側配管に接続され、かつ流量調節弁を備えて、戻りガス流量を調節しつつ圧縮機の吐出側から吸入側に第２のガスを戻すようにした戻し管と、
   戻し管の流量調節弁の調節により第２のガスの戻り流量を調節して、発電機の発電出力が設定出力になるように圧縮機の所要動力を調整する出力制御装置と
   を備えることを特徴とする発電複合プラント。
2. プラントが、ガスと吸収液とを気液接触させてガス中の不純物を吸収液によって吸収、除去し、不純物濃度の低い精製ガスを流出させる吸収塔を備え、
   膨張タービンを駆動するガスが、吸収塔から流出する精製ガスであり、膨張タービンの排気ガスが、吸収塔の吸収熱を除去するために吸収塔から吸収液の一部を抜き出して冷却し、冷却した吸収液を吸収塔に戻す吸収液冷却器の冷媒として使用され、圧縮機は、吸収塔に導入するガスの一部を圧縮することを特徴とする請求項１に記載の発電複合プラント。
3. 圧縮機の所要動力が、発電機の所要動力の１／３倍以上１倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電複合プラント。

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