JP4550720B2 - 改質燃料を燃料とするガスタービン設備及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は発電設備や負荷等の駆動に用いられるガスタービン設備及びその運転方法に係り、特に、重質油を高温高圧蒸気と水熱反応させて改質することで生成した改質燃料を燃料とするガスタービン設備及びその運転方法に関する。

重質油を改質させた改質燃料を燃料とするガスタービン設備は、例えば特許文献１に示すように、既に提案されている。

特開２００３−２８６８６５号公報

一般に、重質油を改質させた改質燃料を燃料とするガスタービン設備は、ガスタービンの排熱を利用して改質燃料生成用の高温高圧蒸気を発生させているので、ガスタービンからの排熱が改質燃料生成用の高温高圧蒸気を発生させる温度に達する間、改質燃料を生成することができない。そのために、ガスタービン設備を駆動するには、起動用燃料が必要になり、起動用燃料タンクや起動用燃料ポンプ、さらには起動用燃料配管系統が必要となる。尚、ガスタービンの排熱を利用しないで改質燃料を生成のための専用の装置を備えることも考えられるが、この場合でも、専用の蒸気発生装置やそのための加熱装置、さらにはそれらの燃料配管系統が必要となる。

このように、従来における改質燃料を燃料とするガスタービン設備は、起動専用の燃料設備を備えなければならず、ガスタービン設備全体を大形化する問題があった。

本発明の目的は、起動専用の燃料設備を設けなくてもガスタービンの起動から負荷運転に亘って改質燃料を燃料として運転できる改質燃料を燃料とするガスタービン設備を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、ガスタービンの運転中に、次回の起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料を増産させる手段を設けたのである。

上記構成とすることで、ガスタービン設備の運転停止時には、次回の起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料が確保されるので、次回の起動時には確保された改質燃料を使用でき、その結果、起動専用の燃料設備を備える必要はなくなるのである。

以上説明したように本発明によれば、起動専用の燃料設備を設けなくてもガスタービンの起動から負荷運転に亘って改質燃料を燃料として運転できる改質燃料を燃料とするガスタービン設備を得ることができる。

以下本発明による改質燃料を燃料とするガスタービン設備の一実施の形態を、図１に示すガスタービン発電設備に基づいて説明する。

本実施形態におけるガスタービン発電設備は、ガスタービン１と、このガスタービン１によって駆動される空気圧縮機２と発電機３と、前記ガスタービン１に燃焼ガスを供給する燃焼器４とを備えている。前記燃焼器４には、空気圧縮機２と改質油燃料タンク５とが接続されている。

空気圧縮機２に取り込まれた空気ａは、圧縮されて圧縮空気ｂとなり、燃焼器４に供給され、改質燃料タンク５からは、改質燃料ポンプ６及び燃料流量計７を経由して改質燃料ｃが燃焼器４に供給される。燃焼器４に供給された圧縮空気ｂと改質燃料ｃとは混合されて燃焼し、燃焼ガスｄがガスタービン１に供給されてガスタービン１を駆動する。このガスタービン１の駆動により発電機３を駆動して発電させる。

ガスタービン１から排出された排ガスｅは、５００℃以上の高温ガスであり、この排ガスｅの熱を回収するために排熱回収ボイラ８を設置し、この排熱回収ボイラ８を通過して降温排ガスｆを煙突９から大気中に放出している。

一方、前記改質燃料タンク５内に貯蔵される改質燃料ｃは、反応水ｇと重質油ｈとを反応させて生成している。反応水ｇは、反応水ポンプ１０及び流量計１１を経由して前記排熱回収ボイラ８を通過させることで、高温高圧蒸気ｉとなり、水熱反応改質器１２に供給される。重質油ｈは、重質油ポンプ１３及び流量計１４を経由して重質油予熱器１５に供給されて昇温され、その後、水熱反応改質器１２に供給される。水熱反応改質器１２に供給された高温高圧蒸気ｉと昇温された重質油ｈとは、２０ＭＰａ以上で4００℃程度の反応条件下で接触させることで、重質油ｈから分解された炭化水素系ガスと軽質油分が高温高圧蒸気ｉに溶解して改質燃料ｊに改質生成される。生成された改質燃料ｊは、減圧器１６で減圧された後、改質燃料タンク５に貯蔵される。

尚、前記重質油予熱器１５は、前記排熱回収ボイラ８の熱を回収する蒸気発生経路１７の蒸気ｋの一部を利用して加熱される。また、蒸気発生経路１７の蒸気ｋの残りは、蒸気タービン１８を駆動して発電機１９で発電させた後、復水器２０及び給水ポンプ２１を経由して前記排熱回収ボイラ８へ戻るコンバインドサイクルを形成している。前記重質油予熱器１５で熱交換し終えた蒸気ｋの一部は、コンバインドサイクルの復水器２０に戻る。

上記構成において、燃焼器４への改質燃料供給量、云い代えれば改質燃料ポンプ６の吐出量の指令信号Ｓ１は、計画するガスタービン負荷に対する予定燃料量を基本料として、負荷である発電機３の出力信号Ｓ２と発電出力指令値との偏差を修正するように制御装置２２で補正して決定する。

本実施の形態では、改質燃料タンク５の液位計２３で計測された改質燃料液位信号Ｓ３を制御装置２２に入力し、入力された改質燃料液位信号Ｓ３から改質燃料タンク５の改質燃料の残量が、ガスタービン起動時に消費する燃料量と比べて不足している場合、現在消費中の燃料量よりも多量の改質燃料ｊを製造するように指令信号Ｓ４，Ｓ５を発する。具体的には、重質油ｈの流量を、燃焼器４に供給するための改質燃料ポンプ６の回転数（吐出量）の指令信号Ｓ１よりも多量に改質燃料ｊが生成できるように、重質油ポンプ１３の回転数（吐出量）を高める指令信号Ｓ４を出力すると共に、重質油の吐出量に見合った高温高圧蒸気ｉを発生するように、反応水ポンプ１０の回転数（吐出量）を高める指令信号Ｓ５を出力して反応水ｇの供給量を増加させている。

次に、上記構成のガスタービン発電設備における制御装置２２で行われる制御ロジックの一実施の形態を図２に基づいて説明する。

発電機３からの出力信号Ｓ２と液位計２３からの改質燃料液位信号Ｓ３とを制御装置２２に入力する。

制御装置２２は、まず、発電出力指令値に対する発電機３からの出力信号（実際の出力値）Ｓ２の発電出力不足量Ｓ６を差分器２４で計算する。計算された発電出力不足量Ｓ６は、発電出力量を燃料量に換算する計算機２５を通して燃料不足量Ｓ７を出力する。燃料不足量Ｓ７から比例積分制御器２６を用いて燃料増加量設定値Ｓ８を算出し、これを加算器２７で予め設定されている燃料流量設定値に加算することで、最終的に必要となる燃料を求める。求められた必要燃料量値Ｓ９は改質燃料供給量の指令信号Ｓ１となり、改質燃料ポンプ６に出力されて回転数（吐出量）を高める。

一方、制御装置２２に入力された改質燃料液位信号Ｓ３は、計算機２８を通して改質燃料タンク５に貯蔵されている実際の改質燃料残量に換算される。その後、差分器２９で、予め計画された起動時実用燃料量（あるいは過去の実績から算出された起動時必要燃料量）と前記改質燃料残量との差分を計算し、不足燃料量Ｓ１０を算出する。不足燃料量Ｓ１０は、不足分のみ正負変換する変換器３０を通って追加燃料量Ｓ１１となり、この追加燃料量Ｓ１１は先に求められた必要燃量値Ｓ９と加算器２７で加算されて燃料製造量計算値Ｓ１２となる。尚、ここで、水熱反応改質器１２の製造能力を上限とするリミッタ３２を通して最終的な燃料製造量計算値Ｓ１２を得るようにしてもよい。こうして決定された製造燃料量が重質油ポンプ１３の回転数（吐出量）を高める指令信号Ｓ４として出力される。また、この重質油ポンプ１３によって増加した重質油供給量を改質するのに必要とする高温高圧蒸気量、即ち、反応水供給量が、反応水と重質油の量比を計算する計算機３３で求められ、反応水ポンプ１０の回転数（吐出量）を高める反応水供給量指令信号Ｓ５が出力される。

次に、上記ガスタービン発電設備の運転に伴うガスタービン出力と改質燃料の変化を図３に示すタイムチャートに基づいて説明する。

ガスタービン起動時には、改質燃料タンク５に貯蔵された改質燃料ｃを利用する。そしてガスタービン１の負荷が上昇し、排熱回収ボイラ８で高温高圧蒸気ｉが発生して改質燃料を生成し始めるまでの間、改質燃料タンク５に貯蔵された改質燃料ｃは消費され続けるため、改質燃料タンクの残量は下降する。所定温度の高温高圧蒸気が発生し改質燃料の製造が開始された時点で、改質燃料タンクの残量は、予定された起動時燃料必要量を下回るために、制御装置２２は、ガスタービン１の燃焼器４に送る改質燃料流量を超える量の改質燃料の製造を指示し、改質燃料タンク５の残量を増加させる制御を行う。改質燃料タック５の残量が、次回の起動時から高温高圧蒸気が発生するまでの間に消費される改質燃料量以上に達すると、制御装置２２は、高温高圧蒸気が発生された以降に必要とする改質燃料量と同量の改質燃料を製造する指示を与え、改質燃料タンク５の残量を一定に保つ。

ところで、上記実施の形態においては、ガスタービン起動後、改質燃料が生成され始めてからガスタービンの運転が停止されるまでの間に、次回のガスタービンの起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料を生成させるようにしたが、改質燃料が生成され始めてから所定時間経過した後に、改質燃料タンクの残量を計測して、次回のガスタービンの起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料を増産させるようにしてもよい。また、改質燃料が生成され始めてからガスタービンの運転が停止されるまでの間に、ガスタービンの運転に必要な改質燃料量よりも多量の改質燃料を運転中に亘って常に生成し、余剰に生成した改質燃料を改質燃料タンクに貯蔵して次回のガスタービン起動時に消費する改質燃料として利用するようにしてもよい。さらにまた、予め計画した改質燃料量が、次回のガスタービンの起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な燃料量に満たない時、改質燃料生成量をガスタービンの運転に必要な燃料量よりも多量となるように、重質油の供給量を決め、この重質油の供給量に基づいて改質燃料の生成量,貯蔵量，使用量を調節するようにしてもよい。

尚、前記実施の形態において、改質燃料タンク５に設けた液位計２３と、液位計２３からの改質燃料液位信号Ｓ３を受けて反応水ポンプ１０及び重質油ポンプ１３の回転数を変えて吐出量を高める信号を出力する制御装置２２と、水熱反応改質器１２とが、本発明によるガスタービンの運転中に次回の起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料を増産させて貯蔵する手段に相当する。また、液位計２３が、本発明によるガスタービンの運転時に前記改質燃料タンクの改質燃料の貯蔵量を測定する燃料測定手段に相当する。制御装置２２と、液位計２３と、反応水ポンプ１０及び重質油ポンプ１３とが、本発明による燃料測定手段による改質燃料の貯蔵量が次回運転時の起動から改質燃料生成開始までに消費される燃料量に足りないと判断された場合にガスタービンの運転中に重質油と反応水との供給量を増加させる重質油供給量調節手段及び反応水供給量調節手段に相当する。

以下本発明による改質燃料を燃料とするガスタービン設備の一実施の形態であるガスタービン発電設備を示すブロック図。 図１の制御装置の制御ロジックを示すブロック図。 図１に示すガスタービン発電設備のガスタービン出力と改質燃料の変化を示すタイムチャート。

符号の説明

１…ガスタービン、２…空気圧縮機、３…発電機、４…燃焼器、５…改質燃料タンク、６…改質燃料ポンプ、８…排熱回収ボイラ、１０…反応水ポンプ、１２…水熱反応改質器、１３…重質油ポンプ、２２…制御装置。

Claims (2)

1. 反応水を加熱して高温高圧蒸気を発生させる反応水加熱手段と、重質油を加熱する重質油加熱器と、これら高温高圧蒸気と加熱された重質油を反応させて改質燃料を生成する水熱反応改質器と、この水熱反応改質器で得られた改質燃料を貯蔵する改質燃料タンクと、この改質燃料タンクからの改質燃料と高圧空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンに連結された負荷とを備えた改質燃料を燃料とするガスタービン設備において、ガスタービンの運転時に前記改質燃料タンクの改質燃料の貯蔵量を測定する燃料測定手段と、この燃料測定手段による改質燃料の貯蔵量が次回運転時の起動から改質燃料生成開始までに消費される燃料量に足りないと判断された場合にガスタービンの運転中に前記重質油と反応水との供給量を増加させる重質油供給量調節手段と反応水供給量調節手段とを設けたことを特徴とする改質燃料を燃料とするガスタービン設備。
2. 反応水を加熱して高温高圧蒸気を発生させる反応水加熱手段と、重質油を加熱する重質油加熱器と、これら高温高圧蒸気と加熱された重質油を反応させて改質燃料を生成する水熱反応改質器と、この水熱反応改質器で得られた改質燃料を貯蔵する改質燃料タンクと、この改質燃料タンクからの改質燃料と高圧空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンに連結された負荷とを備えた改質燃料を燃料とするガスタービン設備を運転するに際し、ガスタービンの運転中に供給される改質燃料量値と改質燃料タンクの貯蔵量計測値とを入力とし、改質燃料タンクの貯蔵量計測値が予め計画された次回のガスタービンの起動から改質燃料生成開始までに消費されるに必要な改質燃料量に満たないとき、改質燃料生成量をガスタービンの運転に必要な改質燃料量より多量となるように、原料である重質油の供給量を決定し、この重質油の供給量を指令値として改質燃料の生成量，貯蔵量，改質燃料使用量を調節することを特徴とする改質燃料を燃料とするガスタービン設備の運転方法。

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