JP4720966B2

JP4720966B2 - バイオガスを燃料とするガスタービン発電装置

Info

Publication number: JP4720966B2
Application number: JP2001259670A
Authority: JP
Inventors: 正龍澤; 英夫小林; 秀実藤; 算甫秋山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2003065084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオガスを燃料とするガスタービン発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
未利用エネルギーの有効利用という観点から下水処理場や食品加工工場等から排水処理の際に発生するバイオガスの有効利用に関する技術開発が行われており、バイオガスのような低カロリーガスを燃料としたガスタービン発電装置の開発が行われている。従来技術では発生するバイオガスの全量または一部をガスタービン発電機に供給し、発電を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料となるバイオガスの発生量やその成分は、その原料となる排水の量や成分によって図５に模式的に示すように変動する。そのため、バイオガスを燃料とする従来のガスタービン発電装置では、その運転や発電容量に対して制約が生じ、以下の問題点があった。
【０００４】
例えば、下水処理場や食品加工工場等から発生するバイオガス量は、発生量の多い施設で数百ｋＷクラスの発電装置を運転できる。この場合、ある一定出力のガスタービン発電装置を設定した場合、その定格出力に相当するバイオガスの量が上限であり、かつガスタービンを安定運転できる最低流量（下限）が存在する。その結果、図５に模式的に示すように、発電出力の下限を上回る発電可能時間帯しか、発電ができなくなる。また、この発電可能時間帯において、定格出力を上回るバイオガスの発生があっても、その分は利用できず、結果として発電可能な総出力は、図に斜線で示す部分に制限されることになる。
【０００５】
また、バイオガス発生量の変動の影響を低減するために、バイオガスタンクを設ける場合でも、バイオガス発生量は、季節によっても変動するため、そのタンク容量を数日分以上の大型タンクにした場合でも、その変動を吸収することは困難であり、無駄に放出し有効利用できないバイオガス量が多い問題点があった。
【０００６】
すなわち、従来のバイオガスを燃料とするガスタービン発電装置には、以下の問題点があった。
（１）発生するバイオガスの発生量や成分により、ガスタービン発電装置の出力や運転時間に制約があり、効率的な運用が難しい。
（２）ガスタービン発電装置の設置容量は、バイオガスの発生パターンや成分により制約を受ける。
【０００７】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、発生量が変動するバイオガスの全量を有効利用することができ、かつ必要とする発電出力を安定して発電することができるバイオガスを燃料とするガスタービン発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、有機性排水を処理して低カロリーのバイオガス（１）を発生させる嫌気性排水処理装置（１２）と、前記バイオガスの全量を燃焼して発電するガスタービン発電機（１４）と、該ガスタービン発電機に高カロリー燃料（２）を補助的に供給する高カロリー燃料供給装置（１６）と、
バイオガスを貯蔵するバイオガスタンク（１７）と、該バイオガスタンク内の圧力を一定に保持したままバイオガスを所定の圧力まで昇圧するブースター装置（１８）と、を備え、高カロリー燃料の流量制御により発電出力を調節する、ことを特徴とするバイオガスを燃料とするガスタービン発電装置が提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、嫌気性排水処理装置（１２）で発生した低カロリーのバイオガス（１）の全量をガスタービン発電機（１４）で燃焼して発電するので、発生量が変動するバイオガスの全量を有効利用することができる。また、高カロリー燃料供給装置（１６）によりガスタービン発電機に高カロリー燃料（２）を補助的に供給し、かつこの高カロリー燃料の流量制御により発電出力を調節するので、必要とする発電出力を安定して発電することができる。
従って、本発明では、不規則に変動する低カロリーガスに高カロリーの燃料を加えてガスタービン発電装置に供給することにより、出力の安定化を図るとともに、高効率な定格条件での運転が発生ガス量に関係なく可能となる。
【００１０】
また、本発明の構成により、バイオガスタンク（１７）内の圧力を嫌気性排水処理装置（１２）に最適の圧力に保持することができ、バイオガス（１）の発生を効率的に行うことができる。
【００１１】
本発明の好ましい第１実施形態によれば、昇圧したバイオガス（１）と高カロリーガス（２）を混合し圧縮してガスタービンの燃焼器に供給する混合ガス圧縮機（１９）を備える。
この構成により、バイオガス（１）と高カロリーガス（２）の混合ガスをガスタービンの燃焼器で燃焼させるので、混合ガスの発熱量を高めることができ、特別な燃焼器（例えば低ＮＯｘ燃焼器）を用いることなく、安定した燃焼を行うことができる。
【００１２】
本発明の好ましい第２実施形態によれば、昇圧したバイオガス（１）を更に圧縮してガスタービンの燃焼器に供給するバイオガス圧縮機（２０）と、高カロリーガス（２）を圧縮して前記ガスタービンの燃焼器に並行して供給する高カロリーガス圧縮機（２２）とを備える。
この構成により、高カロリーガス（２）のパイロット燃焼により、バイオガス圧縮機（２０）から供給されるバイオガス（１）の全量を安定燃焼させることができ、かつ高カロリーガス（２）を別の高カロリーガス圧縮機（２２）で同一のガスタービンの燃焼器に並行して供給するので、高カロリー燃料の流量制御を容易に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
【００１４】
図１は、本発明のガスタービン発電装置の第１実施形態の構成図であり、図２は、図１の燃料系統図である。図１及び図２に示すように、本発明のガスタービン発電装置１０は、嫌気性排水処理装置１２、ガスタービン発電機１４、高カロリー燃料供給装置１６、バイオガスタンク１７及びブースター装置１８を備える。
【００１５】
嫌気性排水処理装置１２は、下水処理場や食品加工工場等の有機性排水を嫌気性処理して低カロリーのバイオガス１を発生させる装置である。発生するバイオガス１は、約５０００Ｋｃａｌ／ＮＭ³前後の低発熱量の燃料ガスであり、上述したように、１日においても、季節的にも大きく変動する。また、図１において、発生したバイオガス１は、脱硫装置１３で含有する硫黄成分を除去された後、バイオガスタンク１７内に所定の圧力（例えば大気圧）で貯蔵される。
【００１６】
ガスタービン発電機１４は、空気圧縮器１４ａ、燃焼器１４ｂ、ガスタービン１４ｃ及び発電機１５からなり、燃焼器１４ｂでバイオガス１の全量を燃焼させ、発生した燃焼ガスでガスタービン１４ｃを駆動し、発電機１５で発電する。この燃焼器１４ｂは、好ましくは低カロリー燃料を安定燃焼できる低ＮＯｘ燃焼器であるのがよいが、本発明はこれに必ずしも限定されない。
なお、この図でガスタービン１４ｃを出た高温の排ガスは、排熱回収ボイラ２４に供給され、ここで排熱を蒸気として回収した後、排気するようになっている。
【００１７】
高カロリー燃料供給装置１６は、ガスタービン発電機１４に高カロリー燃料２を補助的に供給する。また、このガスタービン発電装置１０では、図示しない出力制御装置により、高カロリー燃料２の燃料制御弁１６ａを制御して、ガスタービン発電機１４の発電出力を調節するようになっている。
なお、この実施形態において、高カロリー燃料２は所定の圧力（例えば、約４００ｍｍＡｑ〜３ｋｇ／ｃｍ²ｇ程度）で供給される高カロリーガス（例えば都市ガス）である。
【００１８】
ブースター装置１８は、図２に示すように、ブースター１８ａ、リリーフ弁１８ｂ、圧力調節弁１８ｃ、圧力検出器１８ｄ、及び圧力制御器１８ｅからなる。ブースター１８ａはバイオガス１を所定の圧力まで昇圧し、リリーフ弁１８ｂは昇圧したバイオガスの余剰分を吸引側に循環させる。また、圧力検出器１８ｄはバイオガスタンク１７内の圧力を検出し、圧力制御器１８ｅにより圧力調節弁１８ｃを制御する。この構成により、ブースター装置１８は、バイオガスタンク１７内の圧力を一定に保持したままバイオガス１を所定の圧力まで昇圧する。
【００１９】
この所定の圧力は、図１及び図２の第１実施形態において、高カロリー燃料２は供給圧力（例えば、約４００ｍｍＡｑ〜３ｋｇ／ｃｍ²ｇ程度）とほぼ等しいことが好ましい。また、この第１実施形態において、本発明のガスタービン発電装置１０は、昇圧したバイオガス１と高カロリーガス２を混合し、この混合ガス３を圧縮してガスタービンの燃焼器１４ｂに供給する混合ガス圧縮機１９を備える。
また、図２において、１９ａは、混合ガス３の流量調節弁である。本発明の第１実施形態では、この流量調節弁１９ａを図示しない出力制御装置により直接制御して、ガスタービン発電機１４の発電出力を調節し、これに連動して、高カロリー燃料２の燃料制御弁１６ａを制御する。
【００２０】
図１（Ｂ）に示したバイオガスと都市ガスを混合燃焼する場合の燃料系統では、バイオガス１はバイオガスタンク１７内の圧力が一定になるように圧力調整弁１８ｃにより制御され、ガスブースター１８ａにより都市ガス２の供給圧力より若干高い圧力に昇圧され、都市ガス２に混合される。混合ガス３は更にガス圧縮機１９により燃料噴射圧力まで昇圧され燃焼器１４ｂに供給さられる。燃焼器１４ｂへの投入熱量とガスタービン出力の間には１対１の関係があるので、目標の出力になるように、流量調節弁１９ａによって混合ガス３の量を制御する。
【００２１】
この第１実施形態の構成により、バイオガス１と高カロリーガス２の混合ガス３をガスタービンの燃焼器１４ｂで燃焼させるので、混合ガス３の発熱量を高めることができ、特別な燃焼器（例えば低ＮＯｘ燃焼器）を用いることなく、安定した燃焼を行うことができる。
【００２２】
図３は、本発明のガスタービン発電装置の第２実施形態の構成図であり、図４は、図３の燃料系統図である。図３及び図４において、本発明のガスタービン発電装置１０は、ブースター装置１８で昇圧したバイオガス１を更に圧縮してガスタービンの燃焼器１４ｂに供給するバイオガス圧縮機２０と、高カロリーガス２を圧縮して同一のガスタービンの燃焼器１４ｂに並行して供給する高カロリーガス圧縮機２２とを備える。
【００２３】
また、図４において、２０ａは、バイオガス１の燃料制御弁である。本発明の第２実施形態では、この燃料制御弁２０ａは、通常状態では全開し、昇圧したバイオガス１の全量を燃焼器１４ｂに供給して燃焼させるようになっている。更に、この図で高カロリー燃料２の燃料制御弁１６ａは、高カロリーガス圧縮機２２と燃焼器１４ｂの間に設置され、図示しない出力制御装置により直接制御して、ガスタービン発電機１４の発電出力を調節するようになっている。
その他の構成は、第２実施形態と同様である。
【００２４】
図４のバイオガスと都市ガスのラインを個別に設けた場合の燃料系統において、バイオガス系統は、バイオガスタンク１７内の圧力が一定となるようにガス圧縮機１８，２０の流量を制御して燃料器１４ｂに供給する。都市ガス系統は、一般のガスタービン発電機と同様にガス圧縮機２２で都市ガス２を昇圧し燃焼器１４ｂに供給する。バイオガス１はその発生量の全量を燃焼器１４ｂに投入するようバイオガス用の燃料制御弁２０ａで制御を行い、目標の出力になるように都市ガス系統の燃料制御弁１６ａにて流量制御を行う。高カロリー燃料が都市ガスでなく、ＬＰＧや灯油、重油等の燃料の場合も、図４の都市ガス系統を高カロリー燃料に変更することにより対応可能となる。
【００２５】
この第２実施形態の構成により、高カロリーガス２のパイロット燃焼により、バイオガス圧縮機２０から供給されるバイオガス１の全量を安定燃焼させることができ、かつ高カロリーガス２を別の高カロリーガス圧縮機２２で同一のガスタービンの燃焼器に並行して供給するので、高カロリー燃料の流量制御を容易に行うことができる。
【００２６】
また、第１実施形態及び第２実施形態の構成により、嫌気性排水処理装置１２で発生した低カロリーのバイオガス１の全量をガスタービン発電機１４で燃焼して発電するので、発生量が変動するバイオガス１の全量を有効利用することができる。また、高カロリー燃料供給装置１６によりガスタービン発電機１４に高カロリー燃料２を補助的に供給し、かつこの高カロリー燃料２の流量制御により発電出力を調節するので、必要とする発電出力を安定して発電することができる。
従って、本発明では、不規則に変動する低カロリーガスに高カロリーの燃料を加えてガスタービン発電装置に供給することにより、出力の安定化を図るとともに、高効率な定格条件での運転が発生ガス量に関係なく可能となる。
【００２７】
また、バイオガスタンク１７内の圧力を一定に保持したままバイオガス１を所定の圧力まで昇圧するブースター装置１８を備える構成により、バイオガスタンク１７内の圧力を嫌気性排水処理装置１２に最適の圧力に保持することができ、バイオガス１の発生を効率的に行うことができる。
【００２８】
バイオガスの供給量が平均４３０ＮＭ³／ｈの場合、都市ガスを平均３７３ＮＭ³／ｈとすることにより、発電機端出力１８００ｋＷの発電を安定して行い、かつ発電機端効率２４％以上、ボイラを含む総合効率７７％以上を達成できることがマテリアルバランスから確認された。
この場合のバイオガスと都市ガスの混合比は５４：４６で、熱量比としては４１：５９となる。実際の運用時にはバイオガスの発生量に変動があるため、投入熱量が一定になるように都市ガスの量を制御することにより、出力の調整を行う。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、不規則に発生するバイオガスに対して、高カロリーの燃料を加えてガスタービン発電装置に供給することにより、ガスタービン発電装置の出力の安定化を図るとともに、高効率な範囲での運転が発生ガス量に関係なく可能とするものである。
【００３１】
従って、本発明のガスタービン発電装置は、以下の特徴を有する。
（１）低カロリーガス（バイオガス）の発生パターンに影響を受けることなく、安定した運転が可能となる。
（２）バイオガスの発生パターンに起因する部分負荷運転の必要がなく、定格出力付近の高効率な領域での運転が可能となる。
（３）ガスタービン発電機の最小必要燃料量以下や余剰低カロリーガスを捨てることなく、全てのガスをガスタービン発電機で利用できる。
（４）低カロリーガスの発生量に関係なく、ガスタービン発電機の容量を選定することができる。
【００３２】
すなわち、本発明のガスタービン発電装置は、発生量が変動するバイオガスの全量を有効利用することができ、かつ必要とする発電出力を安定して発電することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン発電装置の第１実施形態の構成図である。
【図２】図１の燃料系統図である。
【図３】本発明のガスタービン発電装置の第２実施形態の構成図である。
【図４】図３の燃料系統図である。
【図５】１日のバイオガス発生量の変動を示す模式図である。
【符号の説明】
１バイオガス、２高カロリー燃料（高カロリーガス）、３混合ガス、
１０ガスタービン発電装置、１２嫌気性排水処理装置、
１３脱硫装置、１４ガスタービン発電機、
１４ａ圧縮器、１４ｂ燃焼器、１４ｃガスタービン、
１５発電機、１６高カロリー燃料供給装置、１６ａ燃料制御弁、
１７バイオガスタンク、１８ブースター装置、
１８ａブースター、１８ｂリリーフ弁、１８ｃ圧力調節弁、
１８ｄ圧力検出器、１８ｅ圧力制御器、１９混合ガス圧縮機、
２０バイオガス圧縮機、２０ａ燃料制御弁、
２２高カロリーガス圧縮機、２４排熱回収ボイラ

Claims

有機性排水を処理して低カロリーのバイオガス（１）を発生させる嫌気性排水処理装置（１２）と、前記バイオガスの全量を燃焼して発電するガスタービン発電機（１４）と、該ガスタービン発電機に高カロリー燃料（２）を補助的に供給する高カロリー燃料供給装置（１６）と、
バイオガスを貯蔵するバイオガスタンク（１７）と、該バイオガスタンク内の圧力を一定に保持したままバイオガスを所定の圧力まで昇圧するブースター装置（１８）と、を備え、高カロリー燃料の流量制御により発電出力を調節する、ことを特徴とするバイオガスを燃料とするガスタービン発電装置。
ブースター装置（１８）は、バイオガス（１）を所定の圧力まで昇圧するブースター（１８ａ）と、昇圧したバイオガスの余剰分を吸引側に循環させるリリーフ弁（１８ｂ）と、圧力調節弁（１８ｃ）と、バイオガスタンク（１７）内の圧力を検出する圧力検出器（１８ｄ）と、圧力調節弁（１８ｃ）を制御する圧力制御器（１８ｅ）とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置。
昇圧したバイオガス（１）と高カロリーガス（２）を混合し圧縮してガスタービンの燃焼器に供給する混合ガス圧縮機（１９）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置。
昇圧したバイオガス（１）を更に圧縮してガスタービンの燃焼器に供給するバイオガス圧縮機（２０）と、高カロリーガス（２）を圧縮して前記ガスタービンの燃焼器に並行して供給する高カロリーガス圧縮機（２２）とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置。