JP4723422B2 - 改質燃料焚きガスタービンシステム及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、重質油を改質した改質燃料を燃料とする改質燃料焚きガスタービンシステム及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法に関する。

ガスタービン装置の燃料として比較した場合に、重質油はＬＮＧや軽油と比べて安価であるが高粘度であり、しかも高濃度の硫黄分や重金属分を含有しているために、ガスタービン用の燃料に適さない。

そこで、この安価な重質油を燃料として有効に利用するために、重質油を軽質化や脱硫黄化、及び脱金属化して、ガスタービン装置にも利用可能な燃料に改質する方法が種々研究、開発中である。

特開２００２−３３８９７３号公報には、水と重質油とを２５ＭＰａ、３８０℃程度の高圧高温の反応条件で反応させて重質油の熱分解と加水分解を行い、重質油から改質燃料を生成してガスタービンの燃料として供給する燃料改質システムに関する技術が開示されている。

特開２００２−３３８９７３号公報

特開２００２−３３８９７３号公報に記載された燃料改質システムでは、重質油を水熱反応させて重質油から良質な改質燃料を製造するために、重質油を改質するのに最適な高温高圧の条件を成立させる必要がある。

ところで、原油の産地や石油製造メーカの調合方法の違いによって改質燃料を生成する対象となる重質油の組成は種々異なる。そこで、重質油の改質条件（温度、圧力）は重質油の組成の違いに対応させた適正な改質条件を選定して改質燃料を製造する必要がある。

特に、重質油の組成にアスファルテン成分を多く含んだ重質油を改質する場合は、適正な改質条件を選定しないと改質の過程でコーキングが発生したり、改質に伴って生成するタールの濃度が高くなって外部への排出が困難となり改質プロセスに支障をきたすことになる。

しかしながら、従来は重質油の改質に際して重質油の組成の差異について考慮した改質制御はなされていず、重質油から高品質な改質燃料を生成する上で重質油の組成の差異が常に障害となっていた。

本発明の目的は、改質の対象となる重質油の組成が異なって重質油の組成にアスファルテン成分が多く含まれている場合でも、重質油の組成に対応した適正な改質条件を選定して常に良質な改質燃料を生成する改質燃料焚きガスタービンシステム、及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法を提供することにある。

本発明の改質燃料焚きガスタービンシステムは、重質油を高圧状態で加熱する重質油加熱器と、水を高圧状態で加熱する水加熱器と、高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造する燃料改質器と、燃料改質器で製造された改質燃料を燃料として駆動するガスタービン装置を備え、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出する検出器と、重質油加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて重質油加熱器の加熱量を調整する第１の温度調整弁及び水加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて水加熱器の加熱量を調整する第２の温度調整弁、又は重質油加熱器に重質油を供給する系統に備えられて重質油の圧力を調整する第１の圧力調整弁及び水加熱器に水を供給する系統に備えられて水の圧力を調整する第２の圧力調整弁を備え、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の温度調整弁及び第２の温度調整弁、又は第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁の少なくとも一方の調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

また、本発明の改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法は、重質油を重質油加熱器にて高圧状態で加熱し、水を水加熱器にて高圧状態で加熱し、燃料改質器にて高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造し、ガスタービン装置にて改質燃料を燃料として駆動し、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出して、重質油加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて重質油加熱器の加熱量を調整する第１の温度調整弁及び水加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて水加熱器の加熱量を調整する第２の温度調整弁、又は重質油加熱器に重質油を供給する系統に備えられて重質油の圧力を調整する第１の圧力調整弁及び水加熱器に水を供給する系統に備えられて水の圧力を調整する第２の圧力調整弁の少なくとも一方の調整弁の弁開度をこの検出した誘電率又は溶解度に基づいて調節し、燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする。

本発明によれば、改質の対象となる重質油の組成が異なって重質油の組成にアスファルテン成分が多く含まれている場合でも、重質油の組成に対応した適正な改質条件を選定して常に良質な改質燃料を生成する改質燃料焚きガスタービンシステム及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法が実現できる。

次に本発明の一実施例である改質燃料焚きガスタービンシステムについて図面を参照して説明する。

図１を用いて本発明の一実施例である改質燃料焚きガスタービンシステムについて説明する。

図１に示す本発明の実施例である改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、重質油を水熱反応させて重質油から良質な改質燃料を製造する設備は、重質油系統として、重質油１aを貯蔵している重質油タンク１と、重質油タンク１に貯蔵された重質油１aを重質油ポンプ５によって配管８１を通じて送給して高温高圧（２００〜４００℃、１０〜３０ＭＰａ）に加熱加圧する重質油加熱器４を備えている。

また、水系統として、純度の高い水、或いは純水３aを貯蔵している純水タンク３と、純水タンク３に貯蔵された純水３aを純水ポンプ６によって配管８２を通じて送給して高温高圧（３５０〜５００℃、１０〜３０ＭＰａ）に加熱加圧する水加熱器、或いは純水加熱器２を備えている。

そして、重質油加熱器４によって高温高圧（２００〜４００℃、１０〜３０ＭＰａ）となった重質油１aと純水加熱器２によって高温高圧（３５０〜５００℃、１０〜３０ＭＰａ）となった純水３ａとが配管８１、８２を通じて夫々供給されて、前記の高温高圧の条件下でこの重質油１aと純水３ａとを混合して水熱反応させることにより重質油を改質して改質燃料を生成する燃料改質器７が備えられている。

燃料改質器７に供給される高温高圧の重質油１aの流量は配管８１に設置された高温高圧重質油供給弁５２によって調整され、燃料改質器７に供給される高温高圧の純水３ａは配管８２に設置された高温高圧水供給弁５１によって調整されるように構成されている。

燃料改質器７で水熱反応した結果生じた燃料改質器７の底部に溜まった残渣油のタール１７aは、燃料改質器７の底部から引き抜かれ、配管８３を通じてタールタンク９に供給される。

このタールタンク９に貯蔵されたタール１７aは、配管８３に設けたタール開閉弁４４によってその流量を調整され、ブロワ２１から送球された空気と共にタール焚き燃焼炉１０に供給されて燃焼して加熱源となる熱媒体を発生する。

即ち、タール焚き燃焼炉１０でタール１７aを燃焼して生成された加熱源の熱媒体は、配管８４、配管８５を通じて重質油加熱器４と純水加熱器２とに供給されて高温高圧の重質油１aと純水３aとを夫々生成する加熱源として利用される。

タール焚き燃焼炉１０から重質油加熱器４に供給される加熱源の熱媒体の流量は、配管８４に設けた重質油加熱用温度調整弁５５によって調整され、タール焚き燃焼炉１０から純水加熱器２に供給される加熱源の熱媒体の流量は、配管８５に設けた純水加熱用ガス調整弁５６によって調整されるように構成されている。

尚、タール焚き燃焼炉１０で燃焼して生成する加熱源の熱媒体が不足する場合は、重質油タンク１に貯蔵された重質油１aの一部を配管８１から分岐した配管８６を通じてタール焚き燃焼炉１０に供給して燃焼できるように構成されている。

燃料改質器７で生成された改質燃料１８aは、高温高圧であるため、配管８７に設けた減圧オリフィス１１によって減圧し、この配管８７を通じて気液分離器１２に供給される。

気液分離器１２では改質燃料１８aを改質ガス１９aと液体改質燃料２０aとに分離する。分離された液体改質燃料２０aは配管８９を通じて改質油タンク１４に送給して貯蔵される。

この改質油タンク１４に貯蔵された液体改質燃料２０aは、配管８９に設けた改質燃料ポンプ２７によって加圧され、燃焼器２４に供給されて燃料として燃焼される。また、配管８９には改質油供給弁４０が設置されており、燃焼器２４に供給する液体改質燃料２０aの流量を調整出来るようになっている。

一方、気液分離器１２で分離された改質ガス１９aも、配管８８を通じて液体改質燃料２０aと同様に燃焼器２４に供給されて燃料として燃焼される。また、配管８８には改質ガス供給弁４１が設置されており、燃焼器２４に供給する改質ガス１９aの流量を調整出来るようになっている。

また、前記改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、燃料改質器７で高温高圧条件下の重質油１aと純水３aを水熱反応させて生成した良質な改質燃料１８aを燃料として燃焼させて発電するガスタービン設備２００は、空気を加圧する空気圧縮機２２と、空気圧縮機２２で加圧した空気を改質燃料１８aと共に燃焼させて燃焼ガス２５aを生成する燃焼器２４と、燃焼器２４で生成した燃焼ガス２５aによって駆動されるタービン２３と、タービン２３によって駆動される負荷となる発電機２８と、タービン２３を流下した燃焼ガス２５aを大気に排出する煙突２６を備えている。

そして、この改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、重質油加熱器４に対する熱媒体をタール焚き燃焼炉１０から供給する配管８４に設置した重質油加熱器温度調整弁５５、及び純水加熱器２に対する熱媒体をタール焚き燃焼炉１０から供給する配管８５に設置した純水加熱器温度調整弁５６の弁開度を夫々制御する制御装置６０が設けられている。

重質油１aを高圧状態で加熱する重質油加熱器４の下流側の配管８１には、該配管内を流れる重質油１aの誘電率ε1を測定する重質油測定用静電容量センサ７０が設置され、純水３aを高圧状態で加熱する純水加熱器２の下流側の配管８２には、該配管内を流れる純水３aの誘電率ε2を測定する純水測定用静電容量センサ７１が設置されている。

そして、前記重質油測定用静電容量センサ７０及び純水測定用静電容量センサ７１で夫々検出した重質油１aと純水３aの各誘電率は前記制御装置６０に入力データとして与えられる。

重質油１aを高圧状態で加熱する重質油加熱器４の下流側の配管８１に、重質油測定用静電容量センサ７０に代えて配管内を流れる重質油１aの溶解度を測定する重質油測定用溶解度センサ９１を設置し、純水３aを高圧状態で加熱する純水加熱器２の下流側の配管８２に、純水測定用静電容量センサ７１に代えて配管内を流れる純水３aの溶解度を測定する純水測定用溶解度センサ９２を設置しても良い。

そして、前記の重質油測定用静電容量センサ７０及び純水測定用静電容量センサ７１、或いは重質油測定用溶解度センサ９１及び純水測定用溶解度センサ９２によって夫々検出した重質油１aと純水３aの各誘電率ε1とε2、或いは各溶解度を制御装置６０に入力データとして与える。

また、燃料改質器７の内部には燃料改質器７で生成される改質燃料１８aの状態を検出する改質燃料測定用静電容量センサ７２が設置され、燃料改質器７から残渣となったタール１７aを外部に引き出す配管８３に設けたタール管８にはタール１７aの状態を検出するタール測定用静電容量センサ７３が設置されている。

そして、前記改質燃料測定用静電容量センサ７２及びタール測定用静電容量センサ７３で夫々検出した改質燃料１８aとタール１７aの各誘電率ε3とε4も前記制御装置６０に入力データとして与えられる。

図６に示したように、制御装置６０には、制御モード指令器６３から指令される圧力条件所定モード又は温度条件所定モードのいずれかを制御演算器６１で行う制御モードに選定する指令信号を制御モード指令器６３から入力する。

制御装置６０の演算器６１には、重質油加熱器４によって高温高圧に加熱されて配管８１を流下して、配管８１に設置した圧力計９５及び温度計９４で検出された重質油１ａの圧力信号p1及び温度信号t1が入力されている。

同様に、この演算器６１には、純水加熱器２によって高温高圧に加熱されて配管８２を流下して、配管８２に設置した圧力計９８及び温度計９７で検出された純水３ａの圧力信号p2及び温度信号t2が入力されている。

制御装置６０では、制御モード指令器６３で選定された制御モード指令信号、並びに重質油１a、純水３a、改質燃料１８a及びタール１７aの誘電率の状態量を検出した各検出値ε1、ε2、ε3、ε4に基づいて各種調整弁５１乃至５７に弁開度の指令信号c1乃至c7を夫々演算して出力する制御演算器６１と、この制御演算器６１に重質油１a、純水３a及び改質燃料１８aの各誘電率の条件値ε1a、ε2a、ε3aを設定して入力する条件入力器６２を備えた構成となっている。

燃料改質器７に供給される重質油１a及び純水３aの各供給量の制御について図４及び図５に示した制御フロー図を用いて説明すると、燃料改質器に供給のプロセス５２aにおいて、高温高圧下で水熱反応させて改質燃料１８aを生成するために燃料改質器７に供給される重質油１a及び純水３aの各供給量は、配管８１に設置した高温高圧重質油供給弁５２及び配管８２に設置した高温高圧水供給弁５１によって夫々調節され、制御演算器６１で演算されて指令する弁開度の指令信号c3及びc4に基づいて前記高温高圧重質油供給弁５２及び高温高圧水供給弁５１の弁開度を制御する。

燃料改質器７に供給される高温高圧の重質油１aの圧力制御について説明すると、前記制御フロー図の圧力調整弁制御のプロセス５３aにおいて、重質油１aの圧力は重質油ポンプ５の下流側の配管８１に設置した重質油圧力調整弁５３によって調節する。

また、高温高圧の重質油１aの温度制御について説明すると、温度調整弁制御のプロセス５５aにおいて、重質油１aの温度はタール焚き燃焼炉１０で燃焼して生成した加熱源の熱媒体を重質油加熱器４に導く配管８４に設置した重質油加熱器温度調整弁５５によって調節する。

そして制御演算器６１では、配管８１に設置した圧力計９５及び温度計９４で検出された重質油１ａの圧力信号p1及び温度信号t1と、条件入力器６２で設定した重質油１ａの設定圧力p1a及び設定温度t1aとを比較し、実測された圧力信号p1及び温度信号t1が設定圧力p1a及び設定温度t1aに夫々一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c6及びc1に基づいて重質油圧力調整弁５３及び重質油加熱器温度調整弁５５の弁開度を制御して高温高圧の重質油１aの圧力p1及び温度t1が夫々制御する。

同様に、燃料改質器７に供給される高温高圧の純水３aの圧力の調整は、前記制御フロー図の温度調整弁制御のプロセス５４aにおいて、純水ポンプ６の下流側の配管８２に設置した純水圧力調整弁５４を操作することによって調節する。

また、高温高圧の純水３aの温度の調節は、温度調整弁制御のプロセス５６aにおいてタール焚き燃焼炉１０で燃焼して生成する加熱源の熱媒体を純水加熱器２に導く配管８５に設置した純水加熱器温度調整弁５６を操作することによって調節する。

そして制御演算器６１では、配管８２に設置した圧力計９８及び温度計９７で検出された純水３ａの圧力信号p2及び温度信号t2と、条件入力器６２で設定した純水３ａの設定圧力p2a及び設定温度t2aとを比較し、実測された圧力信号p2及び温度信号t2が設定圧力p2a及び設定温度t2aに夫々一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c7及びc2に基づいて純水圧力調整弁５４及び純水加熱器温度調整弁５６の弁開度を制御して高温高圧の純水３aの圧力p2及び温度t2を夫々制御するように構成されている。

次に、前記した構成の制御装置６０を備えた改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法について説明する。

図１及び図６において、重質油１aと純水３aを高温高圧で混合して水熱反応させることにより重質油１aを改質して改質燃料１８aを生成する方法は、まず、重質油加熱器４によって高温高圧にした重質油１ａ（２００〜４００℃、１０〜３０ＭＰａ）と、純水加熱器２によって高温高圧にした純水３ａ（３５０〜５００℃、１０〜３０ＭＰａ）とを、配管８１に設置した高温高圧重質油供給弁５２及び配管８２に設置した高温高圧水供給弁５１によって夫々流量を調整して燃料改質器７に供給する。

燃料改質器７ではこれらの高温高圧の重質油１ａと高温高圧の純水３ａとを混合して水熱反応させ、重質油１aを軽質化して改質燃料１８aを製造する。

燃料改質器７の底部からは、改質燃料製造時に生じる残渣油であるタール１７aを外部に排出するために、配管８３に設けたタール管８から外部に取り出す。

外部に取り出したタール１７aは配管８３を通じてタールタンク９に供給され、このタールタンク９からタール１７aを主燃料とするタール焚き燃焼炉１０に供給され、ブロワ２１から送球された空気と共にタール焚き燃焼炉１０で燃焼して加熱源となる熱媒体を発生する。

タール焚き燃焼炉１０でタール１７aを燃焼して生成した熱媒体は、重質油加熱器４に供給されて加熱に使用する流量を配管８４に設けた重質油加熱器温度調整弁５５に対する制御装置６０からの弁開度の指令信号c1によって制御されて、重質油加熱器４で加熱する重質油１aの加熱温度を調整する。

同様に純水加熱器２に供給されて加熱に使用する熱媒体の流量を配管８５に設けた純水加熱器温度調整弁５６に対する制御装置６０からの弁開度の指令信号c2によって制御されて、純水加熱器２で加熱される純水３aの加熱温度を調整する。

燃料改質器７の水熱反応で重質油１aを軽質化して製造された改質燃料１８aは、高温高圧であるために配管８７に設置した減圧オリフィス１１によって減圧した後に、配管８７を通じて気液分離器１２に供給する。

気液分離器１２では改質燃料１８aを改質ガス１９aと液体改質燃料２０aとに分離する。そして分離された一方の液体改質燃料２０aは、配管８９を通じて改質油タンク１４に供給して貯蔵される。

そして、改質油タンク１４に貯蔵された液体改質燃料２０aは、改質燃料ポンプ２７によって加圧されて配管８９を通じてガスタービン設備２００の燃焼器２４に供給されて燃料として燃焼される。

また、気液分離器１２で分離された改質ガス１９aも、配管８８を通じてガスタービン設備２００の燃焼器２４に供給され、液体改質燃料２０aと共に燃料として燃焼される。

このようにガスタービン設備２００では、ガスタービン設備２００を構成する空気圧縮機２２で加圧した圧縮空気と、改質燃料１８aを分離した改質ガス１９aと液体改質燃料２０aとを燃焼器２４で混合燃焼させ、燃焼で生じた燃焼ガスによってタービン２３を回転させ発電機２８を駆動して発電を行う。

タービン２３を流下した燃焼ガスは燃焼排ガス２５aとして下流にある煙突２６から大気中に排出される。

尚、上記した説明では、重質油１a及び純水３aの加熱方法として燃料改質器７の底部から取り出される残渣油のタール１７aをタール焚き燃焼炉１０で燃焼させることによって得られる高温ガスの熱媒体を重質油加熱器４及び純水加熱器２の加熱源としているが、その他の手段による加熱源、例えば、電気ヒータによる加熱手段を適用しても何ら問題は無い。

ところで、一般的性質として誘電率と混合特性の関係について説明すると、通常、常温常圧状態の水と油は均一に混合することは無く、このような混合しない両物質の誘電率は大きく異なっていることが多い。逆に、良く混合しやすい両物質の誘電率はほぼ同じような値であることが分っている。

例えば、混ざり合わない二つの物質の誘電率εは大きく異なっている。即ち、水の誘電率εはε＝８０（常温大気圧）であるのに対し、油の誘電率εはε＝１．８〜２．４（常温大気圧）であり、両者の物質の誘電率の値には４０倍程度の差がある。

ところで、図２に高圧で加熱した水について温度と誘電率εとの関係の特性図を示すように、水を高温高圧の水蒸気状態にすると水の誘電率εは極度に低下する。

図２において、水を高圧状態（２０ＭＰａ）で加熱した場合の温度と誘電率εとの関係を示した特性図から明らかなように、水の温度の上昇に従い徐々に誘電率εは低下し、飽和温度を越えたところで誘電率εが急激に減少して小さくなる。

一方、図３に常温常圧状態の油の種類別による誘電率特性を示しているように、軽質油である軽油の誘電率εはε＝１．８〜２．０、重質油である重質油の誘電率εはε＝２．０〜２．４、超重質油（タール、アスファルト系）の誘電率εはε＝３．４となっている。

図３に示した油の種類別による誘電率特性から理解できるように、油は軽質油から重質油になるにつれてその誘電率の値が大きくなる傾向にある。また、油においても温度圧力条件によって誘電率が変化する。

そこで、図１及び図６に示した制御装置を備えた本発明の一実施例である改質燃料焚きガスタービンシステムによる制御方法の具体的内容について、図４及び図５の制御フロー図を併用して説明する。

圧力条件を一定にした圧力条件所定モードにおける改質燃料焚きガスタービンシステムの制御方法を説明すると、図１に示す改質燃料焚きガスタービンシステムでは、重質油１aと純水３aの圧力を所定の高圧状態で保持しながら重質油加熱器４及び純水加熱器２にて夫々加熱し、燃料改質器７にて所望の高圧高温条件下で重質油１aと純水３aとを混合して水熱反応させて重質油１aから改質燃料１８aを製造する。

重質油１aは原油の産地や石油製造メーカの調合方法の違いによって重質油１aの組成が種々異なることから、燃料改質器７において重質油１aと純水３aとを高温高圧で水熱反応させて重質油を改質する改質条件（温度、圧力）を、重質油１aの組成の違いに対応させて適正な改質条件に変更して改質燃料１８aを製造する必要がある。

そこで、まず、重質油加熱器４で加熱した高温高圧状態の重質油１aを所定の温度及び圧力に調節するために、図４の制御フローにおける圧力調整弁制御の演算プロセス５３a、及び温度調整弁制御の演算プロセス５５aでは、制御装置６０の演算器６１の演算によって重質油１aを燃料改質器７に導く配管８１に設けた圧力計９５及び温度計９４で検出された重質油１ａの圧力信号p1及び温度信号t1と、条件入力器６２で設定した重質油１ａの設定圧力p1a及び設定温度t1aに基づいて、配管８１に設置した重質油圧力調整弁５３に弁開度の指令信号c6を出力し、配管８４に設置した重質油加熱器温度調整弁５５に弁開度の指令信号c1を出力して、重質油１aを所定の温度及び圧力の２００〜４００℃、１０〜３０ＭＰａに調節する。

同様に、純水加熱器２で加熱した高温高圧状態の純水３aを所定の温度及び圧力に調節するために、図４の制御フローにおける圧力調整弁制御の演算プロセス５４a、及び温度調整弁制御の演算プロセス５６aでは、制御装置６０の演算器６１の演算によって純水３aを燃料改質器７に導く配管８２に設けた圧力計９８及び温度計９７で検出された純水３ａの圧力信号p2及び温度信号t2と、条件入力器６２で設定した純水３ａの設定圧力p2a及び設定温度t2aに基づいて、配管８２に設置した純水圧力調整弁５４に弁開度の指令信号c7を出力し、配管８５に設置した純水加熱器温度調整弁５６に弁開度の指令信号c2を出力して、純水３aを所定の温度及び圧力の３５０〜５００℃、１０〜３０ＭＰａに調節する。

次に、重質油加熱器４で加熱した高温高圧状態の重質油１aを燃料改質器７に導く配管８１に設けた重質油測定用静電容量センサ７０で検出した重質油１aの誘電率ε1と、純水加熱器２で加熱した高温高圧状態の純水３aを燃料改質器７に導く配管８２に設けた純水測定用静電容量センサ７１で検出した重質油１aの誘電率ε2の実測値を、制御装置６０の演算器６１に検出データとして夫々入力する。

制御装置６０によって圧力条件を一定にした圧力条件所定モードで制御する場合を説明すると、重質油１aに関して設定した所定の圧力値における重質油１aの誘電率について、条件入力器６２にて誘電率ε1aを設定する。同様に、純水３aに関して設定した所定の圧力値における純水３aの誘電率について、条件入力器６２にて誘電率ε2aを設定する。

この重質油１aの誘電率の設定値ε1aは制御装置６０の演算器６１に入力されるが、図４の制御フローにおけるε1≒ε1aの演算プロセス６０aで演算されるように、演算器６１にて重質油測定用静電容量センサ７０で検出した重質油１aの誘電率の実測値ε1と条件入力器６２で設定した重質油１aの誘電率の設定値ε1aとを比較して、実測値の誘電率ε1が設定値の誘電率ε1aに一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c1に基づき重質油加熱器温度調整弁５５の弁開度を調節して重質油１aの温度の調整制御を行う。

同様に、純水３aの誘電率の設定値ε2aは制御装置６０の演算器６１に入力されるが、図４の制御フローにおけるε2≒ε2aの演算プロセス６０bで演算されるように、演算器６１にて純水測定用静電容量センサ７１で検出した純水３aの誘電率の実測値ε2と条件入力器６２で設定した純水３aの誘電率の設定値ε2aとを比較して、実測値の誘電率ε2が設定値の誘電率ε2aに一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c2に基づき純水加熱器温度調整弁５６の弁開度を調節して純水３aの温度の調整制御を行う。

次に、前記ε1≒ε1aの演算プロセス６０aによる重質油１aの温度の調整制御、及び前記ε2≒ε2aの演算プロセス６０bによる純水３aの温度の調整制御が夫々終了した後に、図４の制御フローにおけるε1≒ε2の演算プロセス６０cにて重質油１aの誘電率の実測値ε1と純水３aの誘電率の実測値ε2とがほぼ一致する状態になったか比較演算を行う。

そして、このε1≒ε2の演算プロセス６０cにおける比較演算によって、重質油１aの誘電率ε1と純水３aの誘電率ε2とがほぼ一致する（ε１≒ε２）の状態にある場合には燃料改質器に供給のプロセス５２aに進み、制御装置６０の演算器６１からの指令に基づき高温高圧重質油供給弁５２及び高温高圧水供給弁５１を開弁操作して両者の誘電率の実測値ε1、ε2がほぼ一致した重質油１a及び純水３aを燃料改質器７に夫々供給し、この重質油１aと純水３aとを燃料改質器７内で高温高圧の条件下で混合して水熱反応によって重質油１aを改質し、改質燃料１８aを生成させる。

しかし、前記ε1≒ε2の演算プロセス６０cにおける比較演算にて、重質油１aの誘電率ε1と純水３aの誘電率ε2との間にまだ差異がある（ε１≠ε２）の状態と判断された場合には、前述した純水３aの温度の調整を行う温度調整弁制御のプロセス５６aと同様に、制御演算器６１からの弁開度の指令信号c2に基づいて純水加熱器温度調整弁５６の弁開度を制御して高温高圧の純水３aの温度を調節して、純水３aの実測値の誘電率ε2を調節する制御を行う。

但し、フロー図には図示していないが、誘電率ε１と誘電率ε2との間にまだ差異があって温度の調節が必要な場合に、再度行う温度調整制御は純水側の純水加熱器温度調整弁５６による温度調節ではなく、重質油側の重質油加熱器温度調整弁５５による温度調節であっても良い。

次に、燃料改質器７にて重質油１aと純水３aとの水熱反応によって重質油１aを改質した改質燃料１８aが生成されると、燃料改質器７に設けた改質燃料測定用静電容量センサ７２により改質燃料１８aの誘電率ε3を検出し、この誘電率の実測値ε3を演算器６１に入力する。

制御装置６０の演算器６１では、図４の制御フローにおけるε3a≧ε3の演算プロセス６０dの演算によって、改質燃料測定用静電容量センサ７２で検出された改質燃料１８aの誘電率の実測値ε3が条件入力器６２で設定する改質燃料の品質限界値の誘電率ε3aと比較する。

そして、生成した改質燃料１８aの誘電率ε3が品質限界値の誘電率ε3aの範囲内の良好な状態を示すε3a≧ε3の条件を満たしている場合には、改質燃料１８aが良好に軟質化されていると判断する。

次に、図４の制御フローにおけるε4a≧ε4の演算プロセス６０eの演算によって、改質油タンク１４に設置した改質燃料測定用静電容量センサ７４で検出された改質油タンク１４に貯蔵される液体改質燃料２０aの誘電率の実測値ε4を条件入力器６２で設定する改質燃料の品質限界値の誘電率ε4aと比較する。

そして、液体改質燃料２０aの誘電率ε4が品質限界値の誘電率ε4aの範囲内の良好な状態を示すε4a≧ε4の条件を満たしている場合には、液体改質燃料２０aが良好に軟質化されていると判断して、次のＧＴに供給のプロセス５７aに進む。

ＧＴに供給のプロセス５７aでは、ε3a≧ε3の演算プロセス６０dで改質燃料１８aの誘電率ε3が品質限界値の誘電率ε3aの範囲内と判断されたことに基づいて、配管８７に設置した改質器圧力調整弁５７を開弁して燃料改質器７で生成した改質燃料１８aを燃料改質器７から気液分離器１２に供給し、この気液分離器１２で改質燃料１８aから分離した一方の改質ガス１９aを、配管８８に設置した改質ガス供給弁４１を開弁操作してガスタービン設備２００の燃焼器２４に供給する。

一方、気液分離器１２で改質燃料１８aから分離した他方の液体改質燃料２０aは配管８９を通じて改質油タンク１４に送給して貯蔵する。

更に、ＧＴに供給のプロセス５７aでは、ε4a≧ε4の演算プロセス６０eで改質油タンク１４に貯蔵された液体改質燃料２０aの誘電率の実測値ε4が品質限界値の誘電率ε4aの範囲内と判断されたことに基づいて、配管８９に設置した改質油供給弁４０を開弁操作してガスタービン設備２００の燃焼器２４に供給する。

このように、気液分離器１２で分離された液体改質燃料２０aと改質ガス１９aは配管８９及び配管８８を通じてガスタービン設備２００の燃焼器２４に夫々供給されて燃料として燃焼し、ガスタービン設備２００を駆動する。

しかしながら、ε3a≧ε3の演算プロセス６０dの演算にて、燃料改質器７で生成された改質燃料１８aの実測した誘電率ε3が大きな値で改質燃料の品質限界値の誘電率ε3aの範囲外となる低い品質と判断された場合に、改質燃料１８aはガスタービン設備２００に燃料として供給されることなく系外に廃棄される。

同様に、ε4a≧ε4の演算プロセス６０eの演算にて、気液分離器１２で分離された液体改質燃料２０aの実測した誘電率ε4が大きな値で改質燃料の品質限界値の誘電率ε4aの範囲外となる低い品質と判断された場合に、液体改質燃料２０aはガスタービン設備２００に燃料として供給されることなく系外に廃棄される。

以上の説明から理解できるように上記の実施例による運転制御によれば、重質油１aを水熱反応させて改質燃料を生成する際に、改質対象の重質油１aに組成の違いがある場合でもこの組成の違いに対応した重質油１aの最適な改質条件（温度、圧力）を確立する運転制御が可能となる。

また、上記実施例における重質油１a及び純水３aの誘電率の測定には重質油測定用静電容量センサ７０及び純水測定用静電容量センサ７１を使用したが、代替計測手段として誘電率と相関性がある溶解度を検出するために、溶解度と相関性がある導電率を検出する重質油測定用導電率センサ９１及び純水測定用導電率センサ９２を用いて、この導電率センサの検出値に基づいて制御装置６０の演算器６１で演算した指令信号c1乃至c7で前記各供給弁及び調整弁５１乃至５６の弁開度を夫々制御しても良い。

また、燃料改質器７の生成過程で生じた残渣油であるタール１７aについては、燃料改質器７からタール１７aを取り出す配管８３に設けたタール検出器８に設置のタール測定用静電容量センサ７３によってその誘電率ε5を測定し、制御装置６０の演算器６１に入力する。

このタール１７aの誘電率ε5を測定することにより、演算器６１にて残渣油のタール１７aの状態を把握して、燃料改質器７での改質状態の良否を判別する一つの判断基準に利用している。

上述した実施例によれば、重質油の組成が異なった場合でも、重質油組成の違いに係わらずに良好な改質条件（温度、圧力）で運転制御が可能となり、常に良質な改質燃料を生成する改質燃料焚きガスタービンシステムを提供することができる。

次に、温度条件を一定にした温度条件所定モードにおける改質燃料焚きガスタービンシステムの制御方法を説明する。本実施例の温度条件所定モードにおける改質燃料焚きガスタービンシステムは、図１及び図６に示す第１実施例と同じ構成であるので説明を省略する。

温度条件所定モードにおける改質燃料焚きガスタービンシステムの制御方法について図５を用いて説明する。

温度条件所定モードによる改質燃料焚きガスタービンシステムの制御方法は、図４に示した圧力条件所定モードにおける改質燃料焚きガスタービンシステムの制御方法と大部分が共通しているので、相違している部分についてのみ説明する。

図５の制御フローにおける温度条件を一定にした温度条件所定モードの制御において、重質油１aを所定の温度及び圧力に調節する圧力調整弁制御の演算プロセス５３a及び温度調整弁制御の演算プロセス５５a、並びに純水３aを所定の温度及び圧力に調節する圧力調整弁制御の演算プロセス５４a及び温度調整弁制御の演算プロセス５６aは、図４の制御フローにおける圧力条件所定モードと同じである。

そして、重質油１aの誘電率に関して、図５の制御フローにおけるε1≒ε1aの演算プロセス６０aでは、演算器６１にて重質油測定用静電容量センサ７０で検出した重質油１aの誘電率の実測値ε1と条件入力器６２で設定した重質油１aの誘電率の設定値ε1aとを比較して、実測値の誘電率ε1が設定値の誘電率ε1aに一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c6に基づき重質油圧力調整弁５３の弁開度を調節して重質油１aの圧力の調整制御を行うようにした点が、図４の圧力条件所定モードで重質油加熱器温度調整弁５５の弁開度を調節して重質油１aの温度の調整制御を行うものと相違している。

また、純水３aの誘電率に関して、図５の制御フローにおけるε2≒ε2aの演算プロセス６０bでは、演算器６１にて純水測定用静電容量センサ７１で検出した純水３aの誘電率の実測値ε2と条件入力器６２で設定した純水３aの誘電率の設定値ε2aとを比較して、実測値の誘電率ε2が設定値の誘電率ε2aに一致するように制御演算器６１で演算した弁開度の指令信号c7に基づき純水圧力調整弁５４の弁開度を調節して純水３aの圧力の調整制御を行うようにした点が、図４の圧力条件所定モードで純水過熱器温度調整弁５６の弁開度を調節して純水３aの温度の調整制御を行うものと相違している。

更に、重質油１aと純水３aの誘電率の比較検討に関して、図５の制御フローにおけるε1≒ε2の演算プロセス６０cにおける比較演算にて、重質油１aの誘電率ε1と純水３aの誘電率ε2との間にまだ差異がある（ε１≠ε２）の状態と判断された場合には、純水３aに対して、制御演算器６１からの弁開度の指令信号c7に基づいて純水圧力調整弁５４の弁開度を制御して高温高圧の純水３aの圧力を調節して、純水３aの実測値の誘電率ε2を微調節する圧力の制御を行うようにした点が、図４の圧力条件所定モードで純水過熱器温度調整弁５６の弁開度を調節して純水３aの温度の調整制御を行うものと相違している。

或いは、重質油１aに対して、制御演算器６１からの弁開度の指令信号c6に基づいて重質油圧力調整弁５３の弁開度を制御して高温高圧の重質油１aの圧力を調節して、重質油１aの実測値の誘電率ε1を微調節する圧力の制御を行うようにした点が、図４の圧力条件所定モードで重質油加熱器温度調整弁５５の弁開度を調節して重質油１aの温度の調整制御を行うものと相違している。

そして、図５の温度条件所定モードの制御におけるε3a≧ε3の演算プロセス６０dの演算、及びε4a≧ε4の演算プロセス６０eの演算に基づく制御は、図４の圧力条件所定モードの場合と同じ制御内容となる。

上記した本発明の実施例によれば、改質の対象となる重質油の組成が異なって重質油の組成にアスファルテン成分が多く含まれている場合でも、重質油の組成の差異に対応した適正な改質条件を選定して常に良質な改質燃料を生成する改質燃料焚きガスタービンシステム、及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法が実現できる。

本発明は、重質油を水熱反応させて改質した改質燃料を燃料とする改質燃料焚きガスタービンシステム、及び改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法に適用可能である。

本発明の一実施例である改質燃料焚きガスタービンシステムを示す概略構成図。 圧力所定条件における水蒸気の温度と誘電率との関係を示す水蒸気の誘電率特性図。 常温常圧条件における一般的な油種と誘電率との関係を示す油種の誘電率特性図。 図１の実施例の改質燃料焚きガスタービンシステムにおける圧力条件所定モードの制御を示す制御フロー図。 図１の実施例の改質燃料焚きガスタービンシステムにおける温度条件所定モードの制御を示す制御フロー図。 図１の実施例の改質燃料焚きガスタービンシステムにおける制御装置を示す制御ブロック図。

符号の説明

１：重質油タンク、１ａ：重質油、２：純水加熱器、３：純水タンク、３ａ：純水、４：重質油加熱器、５：重質油ポンプ、６：純水ポンプ、７：燃料改質器、８：タール管、９：タールタンク、１０：タール焚き燃焼炉、１１：減圧オリフィス、１２：気液分離器、１４：改質油タンク、１７a：タール、１８a：改質燃料、１９a：改質ガス、２０a：液体改質燃料、２１：ブロワ、２２：空気圧縮機、２３：タービン、２４：燃焼器、２５a：燃焼排ガス、２６：煙突、２７：改質燃料ポンプ、２８：発電機、４０：改質油供給弁、４１：改質ガス供給弁、４４：タール開閉弁、４５：加熱ガス開閉弁、４６：重質油遮断弁、４８：タール排出弁、５０：重質油供給弁、５１：高温高圧水供給弁、５２：高温高圧重質油供給弁、５３：重質油圧力調整弁、５４：純水圧力調整弁、５５：重質油加熱器温度調整弁、５６：純水加熱器温度調整弁、５７：改質器圧力調整弁、６０：制御装置、６１：制御演算器、６２：条件入力器、６３：制御モード指令器、７０：重質油測定用静電容量センサ、７１：純水測定用静電容量センサ、７２：改質燃料測定用静電容量センサ、７３：タール測定用静電容量センサ、７７：改質燃料測定用静電容量センサ、８１〜８９：配管、９１：重質油測定用導電率センサ、９２：純水測定用導電率センサ、２００：ガスタービン設備。

Claims (10)

1. 重質油を高圧状態で加熱する重質油加熱器と、水を高圧状態で加熱する水加熱器と、高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造する燃料改質器と、燃料改質器で製造された改質燃料を燃料として駆動するガスタービン装置を備えた改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出する検出器と、重質油加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて重質油加熱器の加熱量を調整する第１の温度調整弁及び水加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて水加熱器の加熱量を調整する第２の温度調整弁と、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の温度調整弁及び第２の温度調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御する制御装置を備えたことを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
2. 重質油を高圧状態で加熱する重質油加熱器と、水を高圧状態で加熱する水加熱器と、高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造する燃料改質器と、燃料改質器で製造された改質燃料を燃料として駆動するガスタービン装置を備えた改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出する検出器と、重質油加熱器に重質油を供給する系統に備えられて重質油の圧力を調整する第１の圧力調整弁及び水加熱器に水を供給する系統に備えられて水の圧力を調整する第２の圧力調整弁と、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御する制御装置を備えたことを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
3. 請求項１に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、重質油加熱器に重質油を供給する系統に備えられて重質油の圧力を調整する第１の圧力調整弁及び水加熱器に水を供給する系統に備えられて水の圧力を調整する第２の圧力調整弁を備え、制御装置によって検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
4. 請求項１に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、制御装置は水加熱器に供給される水、及び重質油加熱器に供給される重質油の圧力を所定の圧力に保持させて、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の温度調整弁及び第２の温度調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
5. 請求項２に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、制御装置は水加熱器に供給される水、及び重質油加熱器に供給される重質油の温度を所定の温度に保持させて、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁を調節して燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
6. 請求項１又は請求項２に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、燃料改質器で製造した改質燃料について誘電率又は溶解度を検出する第２の検出器と、燃料改質器から改質燃料をガスタービン装置に供給する系統に備えられて改質燃料の供給量を調整する供給弁を備え、制御装置によって第２の検出器で検出した改質燃料の誘電率又は溶解度に基づいて供給弁を制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
7. 請求項１、請求項２又は請求項６に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムにおいて、誘電率又は溶解度を夫々検出する検出器又は第２の検出器は静電容量センサ又は導電率センサであることを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステム。
8. 重質油を重質油加熱器にて高圧状態で加熱し、水を水加熱器にて高圧状態で加熱し、燃料改質器にて高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造し、ガスタービン装置にて改質燃料を燃料として駆動する改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法において、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出して、重質油加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて重質油加熱器の加熱量を調整する第１の温度調整弁及び水加熱器に加熱媒体を供給する系統に備えられて水加熱器の加熱量を調整する第２の温度調整弁の弁開度をこの検出した誘電率又は溶解度に基づいて調節し、燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法。
9. 重質油を重質油加熱器にて高圧状態で加熱し、水を水加熱器にて高圧状態で加熱し、燃料改質器にて高温高圧の水と重質油とを混合し水熱反応させて重質油から改質燃料を製造し、ガスタービン装置にて改質燃料を燃料として駆動する改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法において、重質油加熱器で加熱された高温高圧の重質油及び水加熱器で加熱された高温高圧の水について誘電率又は溶解度を夫々検出して、重質油加熱器に重質油を供給する系統に備えられて重質油の圧力を調整する第１の圧力調整弁及び水加熱器に水を供給する系統に備えられて水の圧力を調整する第２の圧力調整弁と、検出器で検出した重質油及び水の誘電率又は溶解度に基づいて第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁の弁開度をこの検出した誘電率又は溶解度に基づいて調節し、燃料改質器に供給する高温高圧の重質油及び高温高圧の水の誘電率又は溶解度を夫々制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法。
10. 請求項８又は請求項９に記載の改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法において、
    燃料改質器で製造した改質燃料について誘電率又は溶解度を検出し、燃料改質器から改質燃料をガスタービン装置に供給する系統に備えられて改質燃料の供給量を調整する供給弁の弁開度をこの検出した改質燃料の誘電率又は溶解度に基づいて調節し、燃料改質器からガスタービン装置に供給する改質燃料を制御することを特徴とする改質燃料焚きガスタービンシステムの運転方法。

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