JP4744349B2 - ガス置換方法、ガス置換装置及び燃料ガス置換用ガス - Google Patents

Description

本発明は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する機器及び配管内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに空気に置換するガス置換方法、ガス置換装置及びガス置換に使用可能な燃料ガス置換用ガスに関する。

高炉ガス、ミックスガス、コークス炉ガスなど製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の定期点検工事では、工事に先立ち、燃料ガス圧縮機、ガス冷却器などの機器及びこれに連結する燃料ガス管内の副生ガス（燃料ガス）を不燃性ガスに置換した後、さらにこの不燃性ガスを空気に置換する操作を行っている。副生ガスは、一酸化炭素の濃度が約８〜３６容量％と高く、ガス中毒、火災、ガス爆発防止のためには、副生ガスを不燃性ガスに置換する操作は必須である。なお、本明細書では、副生ガス（燃料ガス）を不燃性ガスに置換することをガスパージと言い、不燃性ガスを空気に置換することを空気パージと言う。また、本明細書において、低圧燃料ガス系統とは、低圧の燃料ガスが流通する配管及び機器を言い、高圧燃料ガス系統とは、燃料ガス圧縮機を含み、燃料ガス圧縮機で昇圧された高圧の燃料ガスが流通する配管及び機器を言う。

図７は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備及び燃料ガス管の系統の概略を示す図である。ガスタービン発電設備１は、燃料ガス圧縮機２、燃焼器３、空気圧縮機４、ガスタービン５、発電機６を主要機器とし構成される。高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電設備１では、燃料ガスは、圧力が低いため軸流式の燃料ガス圧縮機２で所定の圧力まで昇圧して、燃焼器３で燃焼させる。燃料ガス圧縮機２は、低圧の燃料ガス管１１を通じて製鉄所から供給される高炉ガス、ミックスガス、及びコークス炉ガスを混合した燃料ガスを所定の圧力まで昇圧する。圧縮された燃料ガスは、燃料遮断弁１２、１３が配設された高圧の燃料ガス管１４を経由して燃焼器３に送られ、空気圧縮機４で圧縮された空気と混合して燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン５の駆動源となり、ガスタービン５は、空気圧縮機４、燃料ガス圧縮機２を駆動するとともに、発電機６を駆動し、これにより発電を行う。

燃料ガス圧縮機２に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、燃料ガスの流量が所定量以下になるとサージングが発生するため、これを回避すべくガス戻り管２０が設けられている。ガス戻り管２０の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調整するための流量調節弁２１、ガス冷却器２２が配設されている。さらに流量調節弁２１をバイパスする圧力制御弁２３、逃し弁２４が配設されている。

低圧の燃料ガス管１１は、管路途中にガスを混合するためのミックスガス混合器２５、コークス炉ガス混合器２６、電気集じん装置２７を備え、高炉ガス、ミックスガス、及びコークス炉ガスに含まれるばいじんは、ここで除じんされた後、燃料ガス圧縮機２に送られる。高炉ガスを供給する高炉ガス管２８は、一端に入口弁２９を備え、入口弁２９を介して低圧の燃料ガス管１１と連結する。ミックスガスを供給するミックスガス管３０及びコークス炉ガスを供給するコークス炉ガス管３１も、共に入口弁３２、３３を備え、管路途中に流量調節弁３４、３５、遮断弁３６、３７を備え、一端をミックスガス混合器２５、及びコークス炉ガス混合器２６と連結する。

低圧の燃料ガス管１１、高圧の燃料ガス管１４、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１及び電気集じん装置２７等には、窒素ガスを供給するための窒素ガス供給弁４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ）を備える窒素ガス供給管４１（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉ、４１ｊ）が設けられており、これを通じて各配管及び各機器などに窒素ガスを供給することができる。さらに配管及び機器には配管内又は機器内のガスを排出するためのブリーダ弁５２（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、５２ｇ、５２ｈ、５２ｉ、５２ｊ、５２ｋ、５２ｌ、５２ｍ、５２ｎ、５２ｏ、５２ｐ）を備えるガス排出管５１（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ、５１ｉ、５１ｊ、５１ｋ、５１ｌ、５１ｍ、５１ｎ、５１ｏ、５１ｐ）が設けられている。

各配管及び各機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、空気置換する要領を、低圧の燃料ガス管１１を例として示せば、低圧の燃料ガス管１１に配設されたブリーダ弁５２ａを開放した後に、窒素ガスを窒素ガス供給弁４２ｈより注入し、ガスを大気放出し、ブリーダ弁５２ａに近接して配設された試料採取弁５３ａに図示を省略したガス濃度計を接続して、ガス濃度計でガスの濃度を検出してガスパージ完了を確認する。この後、窒素ガスの供給を停止し、空気ブロワ９０を介して低圧の燃料ガス管１１に空気を送込み、ガスパージと同様、ブリーダ弁５２ａを介して燃料ガス管内のガスを大気放出し、ブリーダ弁５２ａに近接する試料採取弁５３ａに図示を省略したガス濃度計を接続して、ガス濃度計で酸素濃度を検出して空気パージ完了を確認する。他の配管、機器にあっても同様の操作を行い、対象とする機器、配管全体を空気で置換する。

上記の方法は、従来から一般的によく用いられている燃料ガスを空気に置換する方法であるが、ガス置換の効率が必ずしも高いとは言えず、ガス置換に必要な窒素ガス量が多いことや、ガスの置換に時間を要するなどの課題がある。容器内のガスを効率的に又は安全に置換する方法の一つとして、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない窒素ガス量で効率的に置換する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−３０１７８６号公報

製鉄所などで使用される燃料ガス管は、配管の内径が大きいところでは２〜３ｍにも及び、長さも３００ｍを超えるなど容量が大きい。また燃料ガス管は、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状、経路を有する。ガスタービン発電設備を含めこれら配管、機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、空気に置換することは容易ではない。特許文献１に記載の技術は、地下式貯槽内の空気を窒素ガスに一度置換した後、この窒素ガスをメタンガスに置換する場合に、少ない量で効率的に置換する方法に関するものであるが、この方法は、置換すべき対象物の形状が単純であり、かつ空気、窒素ガス、メタンガスの比重量の違いを利用しガスの置換を行うものであり、この方法を燃料ガス管及びガスタービン発電設備のガスの置換方法として利用することはできない。

本発明者らは、大容量でかつ、配管の長さが長く、曲り部、分岐部を有するなど複雑な形状を有する配管内の可燃性ガスを、短時間にかつ少ない不燃性ガス量で効率的に置換する技術を開発し既に特許出願を行っている（特願２００５−２１０３９２）。本発明者らが先に出願した発明は、窒素ガスの消費量を抑制することが可能な有用な方法であるが、さらに窒素ガスの消費量を抑制することができればコスト削減につながり望ましいことは言うに及ばない。さらにガスパージ、空気パージ時間は、発電設備の稼働率にも影響するため、ガスパージ、空気パージを短時間で行うことができればより好ましい。

本発明の目的は、窒素ガスの消費量を抑制し、また短時間で可燃性ガスを空気に置換可能なガス置換方法、ガス置換装置及び燃料ガス置換用ガスを提供することである。

請求項１記載のガス置換方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、
燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、
該低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに燃焼排ガスを使用し、
該高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに窒素ガスを使用することを特徴とする。

請求項２記載のガス置換方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、
燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、
該低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを使用し、
該高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに窒素ガスを使用することを特徴とする。

請求項３記載のガス置換方法は、前記配管及び機器内のガスを空気に置換する操作は、前記低圧燃料ガス系統及び前記高圧燃料ガス系統両系統の燃料ガスを不燃性ガスに置換する操作が終了した後、前記低圧燃料ガス系統の配管及び機器と前記高圧燃料ガス系統の配管及び機器とを連通させ、一体的に配管及び機器内のガスを空気に置換することを特徴とする。

請求項４記載のガス置換方法は、前記燃焼排ガスは、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却したガスであることを特徴とする。

請求項５記載のガス置換装置は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに空気に置換するガス置換装置であって、
少なくとも燃料ガスが流通する配管に窒素ガスを供給可能な窒素ガス供給手段と、
少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の該燃焼排ガスを供給可能な燃焼排ガス供給手段と、
少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
少なくとも燃料ガスが流通する配管に空気を供給可能な空気供給手段と、
少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
予め定める手順に基づき該窒素ガス供給手段、該燃焼排ガス供給手段、該ガス排出手段、及び該空気供給手段の動作を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする。

請求項６記載のガス置換装置は、前記燃焼排ガス供給手段に代え、少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の該燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを供給可能な混合ガス供給手段を含むことを特徴とする。

請求項７記載の燃料ガス置換用ガスは、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、かつ燃焼排ガスに含まれるばいじんを除去したことを特徴とする。

請求項１記載の本発明によれば、ガス置換方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、不燃性ガスに燃焼排ガスを使用し、高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、不燃性ガスに窒素ガスを使用する。低圧燃料ガス系統と高圧燃料ガス系統の容量は、前者が圧倒的に大きいことから、従来のガス置換方法に比較し本発明のガス置換方法は、窒素ガスの消費量を大幅に削減することができる。なお、ガスタービン発電設備の副生ガスには、少量のばいじんを含まれることが予定されており、ほぼ同量のばいじんを含む燃焼排ガスを一時的にガスパージの置換用ガスに使用しても支障はない。

請求項２記載の本発明によれば、ガス置換方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、不燃性ガスに燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを使用し、高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、不燃性ガスに窒素ガスを使用する。低圧燃料ガス系統と高圧燃料ガス系統の容量は、前者が圧倒的に大きいことから、従来のガス置換方法に比較し本発明のガス置換方法は、窒素ガスの消費量を大幅に削減することができる。さらに、低圧燃料ガス系統のガスパージに使用するガスは、燃焼排ガスと窒素ガスとの混合ガスであるので、より安全にガスパージを行うことができる。なお、ガスタービン発電設備の副生ガスには、少量のばいじんを含まれることが予定されており、ほぼ同量のばいじんを含む燃焼排ガスを一時的にガスパージの置換用ガスに使用しても支障はない。

請求項３記載の本発明によれば、配管及び機器内のガスを空気に置換する操作は、低圧燃料ガス系統及び高圧燃料ガス系統両系統の燃料ガスを不燃性ガスに置換する操作が終了した後、低圧燃料ガス系統の配管及び機器と高圧燃料ガス系統の配管及び機器とを連通させ、一体的に配管及び機器内のガスを空気に置換するので、効率的にかつ短時間で空気パージを行うことができる。

請求項４記載の本発明によれば、燃焼排ガスは、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却したガスであるので、比較的簡単に入手することができる。また副生ガスは、窒素濃度が高いため燃焼排ガス中の窒素濃度も高く、さらに燃焼排ガス中の酸素濃度も約２容量％と低いのでガスパージの置換用ガスとして適している。さらに燃焼排ガスがボイラの燃焼排ガスであるので、多量に使用することが可能であり、短時間でガスパージを完了させることができる。

請求項５記載の本発明によれば、ガス置換装置は、少なくとも燃料ガスが流通する配管に窒素ガスを供給可能な窒素ガス供給手段と、少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の燃焼排ガスを供給可能な燃焼排ガス供給手段と、少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、少なくとも燃料ガスが流通する配管に空気を供給可能な空気供給手段と、少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、予め定める手順に基づき窒素ガス供給手段、燃焼排ガス供給手段、ガス排出手段、及び空気供給手段の動作を制御する制御手段と、を含むので、本ガス置換装置を使用することでガス置換操作を自動化することができる。また、安全にガス置換操作を行うことができる。

請求項６記載の本発明によれば、ガス置換装置は、燃焼排ガス供給手段に代え、少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した不燃性ガスを供給可能な混合ガス供給手段を含むので、本ガス置換装置を使用することでより安全にガス置換操作を行うことができる。

請求項７記載の本発明によれば、燃料ガス置換用ガスは、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、かつ燃焼排ガスに含まれるばいじんを除去したガスであるので、酸素濃度が低く、また比較的クリーンである。よってこのガスをガスパージの置換用ガスとして他の設備に供給することができる。

図１は本発明の実施の一形態としての副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する機器及び配管内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、空気に置換するガス置換装置１００の概略的構成を示す図である。図７と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態に示すガス置換装置１００は、副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備１及びその燃料配管系統の燃料ガスを空気に置換するための装置であり、ガスパージの置換用ガスである燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス供給装置１１０及び窒素ガス供給手段、空気パージに使用する空気を供給する空気供給装置１３０、配管内のガスを排出するガス排出手段、配管から排出されるガスの濃度を検出するガス濃度計１６０、弁の開閉、ブロワの起動停止などを制御する制御装置１７０を主に構成される。なお、ガスタービン発電設備１及び燃料ガスの配管系統は、図７に示した従来のガスタービン発電設備１及び燃料ガスの配管系統と基本的に同一である。

燃焼排ガス供給装置１１０は、低圧の燃料ガス管１１及び電気集じん装置２７など低圧の燃料ガスが流通する配管及び機器に、燃料ガスを置換するための不燃性ガスを供給する装置であり、燃焼排ガス供給ブロワ１１１、燃焼排ガス冷却器１１２、パージ用ガス供給ブロワ１１３、流量調整ダンパ１１４、１１５、遮断弁１１６、１１７、管路１１８、１１９、１２０、１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ、１２３ｅ）などを含み構成される。製鉄所から供給される副生ガスを燃料とするボイラ２００から排出される燃焼排ガスを遮断弁１１６、流量調整ダンパ１１４が配設された管路１１８を介して燃焼排ガス供給ブロワ１１１で吸引し、燃焼排ガス供給ブロワ１１１の吐出側に配設された燃焼排ガス冷却器１１２で、燃焼排ガスを冷却する。

ボイラ２００から排出される燃焼排ガスの温度は、節炭器（図示を省略）出口で３５０℃程度であり、ガスパージの置換用ガスとして使用するためには少なくとも４５℃程度まで冷却する必要がある。このため燃焼排ガス冷却器１１２で、燃焼排ガスを冷却する。燃焼排ガス冷却器１１２の型式は特に限定されないけれども、燃焼排ガスに含まれるばいじんを除去することが可能なこと及び機器の大きさの点から、燃焼排ガスと水とを直接接触させ冷却する直接冷却式の冷却器が好ましい。なお、直接冷却式の冷却器を使用する場合は、出口部に水分除去装置であるデミスタを設置することが好ましい。冷却後の燃焼排ガス中に水溶性のナトリウムなどが含まれていると燃焼器３などに悪影響を与えるため、水分は少ない方がよい。

燃焼排ガス冷却器１１２で冷却した燃焼排ガスは、遮断弁１１７、流量計１２６、流量調整ダンパ１１５が配設された管路１１９を通じて、パージ用ガス供給ブロワ１１３に導かれ、パージ用ガス供給ブロワ１１３の吐出部に連結された管路１２０を介して、低圧の燃料ガスが流通する低圧の燃料ガス管１１などへ供給される。パージ用ガス供給ブロワ１１３の吐出部に連結する管路１２０には、酸素濃度計１２１及び放出弁１２２が設けられ、管路１２０はその後流側で５本の管路１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ、１２３ｅ）に分岐し、分岐した管路各々が低圧の燃料ガスが流通する低圧の燃料ガス管１１、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１と連結する。なお分岐した管路１２３は、各々流量調整用ダンパ１２４（１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ）、遮断弁１２５（１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅ）を有する。

燃焼排ガス供給ブロワ１１１、パージ用ガス供給ブロワ１１３は、図示を省略した信号線で制御装置１７０と接続し、制御装置１７０からの指令に基づき起動停止する。同様に、遮断弁１１６、１１７、１２５、流量調整ダンパ１１４、１１５、１２４も図示を省略した信号線で制御装置１７０と接続し、制御装置１７０からの指令に基づき開閉又は所定の開度となる。なお、低圧の燃料ガスが流通する低圧の燃料ガス管１１、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１には、水取管（図示を省略）が取付けられているので、ガス管内の圧力が通常の圧力を超えると、水取管などのブリーダ弁以外の箇所から一酸化炭素を含むガスなどが噴出し、人的被害が発生する恐れがある。このため、既設のガス管圧力信号により、流量調整用ダンパ１２４（１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄ）を介して燃焼排ガス圧力を制御している。

窒素ガス供給手段は、基本的には高圧の燃料ガスが流通する配管及び機器に窒素ガスを供給する装置であり、窒素ガス供給管１４１（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ）及び窒素ガス供給管１４１に配設された窒素ガス供給弁１４２（１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ）を備え、図示を省略した窒素ガス供給設備と連結し窒素ガスを供給する。窒素ガスは、基本的に高圧の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスをパージするために使用されるので、高圧の燃料ガスが流通する配管及び機器と連結するが、このほかに燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の濃度よりも高い場合に、酸素濃度を低下させるために使用される。このため管路１１９に、窒素ガス供給弁１４４を備える窒素ガス供給管１４３が連結している。さらにコークス炉ガス清浄器８０には脱硫材が充填されているので、窒素ガスでガスパージを行う必要があることから、清浄器８０近傍に、窒素ガス供給弁１４２ｉを備える窒素ガス供給管１４１ｉが設けられている。窒素ガス供給弁１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｉ、１４４は、図示を省略した信号線で制御装置１７０と接続し、制御装置１７０からの指令に基づき開閉する。

空気供給装置１３０は、燃料ガス管又は機器内の燃料ガスを、燃焼排ガス又は窒素ガスに置換した後、これらのガスを空気に置換するための空気を配管及び機器に供給する装置である。空気供給装置１３０は、空気取入口を一端に有し、管路途中に遮断弁１３１を有する管路１３２を含み、この管路１３２の他端を管路１１９と連結する。これによりパージ用ガス供給ブロワ１１３を稼動させることで空気取入口より取入れた空気を、管路１３２、１１９、１２０、１２３を通じて、低圧の燃料ガスが流通する低圧の燃料ガス管１１、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１に供給することができる。遮断弁１３１は、図示を省略した信号線で制御装置１７０と接続し、制御装置１７０からの指令に基づき開閉する。

配管及び機器内のガスを排出するガス排出手段は、ガスパージ及び空気パージ時に配管及び機器内に滞留するガスを排出する装置であり、ガス排出管１５１（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄ、１５１ｅ、１５１ｆ、１５１ｇ、１５１ｈ、１５１ｉ、１５１ｊ、１５１ｋ、１５１ｌ、１５１ｍ、１５１ｎ、１５１ｏ、１５１ｐ）、ガス排出管１５１に配設されたブリーダ弁１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ、１５２ｅ、１５２ｆ、１５２ｇ、１５２ｈ、１５２ｉ、１５２ｊ、１５２ｋ、１５２ｌ、１５２ｍ、１５２ｎ、１５２ｏ、１５２ｐ）、ブリーダ弁１５２に近接して設けられガス排出管１５１から分岐した試料採取管を含み構成される。試料採取管は、配管途中に試料採取弁１５３（１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、１５３ｄ、１５３ｅ、１５３ｆ、１５３ｇ、１５３ｈ、１５３ｉ、１５３ｊ、１５３ｋ、１５３ｌ、１５３ｍ、１５３ｎ、１５３ｏ、１５３ｐ）を有する。

ブリーダ弁１５２は、配管又は機器内に滞留するガスを排出するための弁であり、試料採取弁１５３は、ガス排出管１５１から排出されるガスの濃度を検出するために試料採取管に連結するガス濃度計１６０にガスを送る。ブリーダ弁１５２、試料採取弁１５３は、図示を省略した信号線で制御装置１７０と接続し、制御装置１７０からの指令に基づき開閉する。さらにガス濃度検出弁１５５（１５５ａ、１５５ｂ、１５５ｃ）も試料採取弁１５３と同様にしてガス濃度計１６０にガスを送る。

ガス濃度計１６０は、試料採取管、ガス濃度検出管を介してガスを採取して、燃料ガスの濃度、窒素の濃度、酸素の濃度を測定する。このため、ガス濃度計１６０は、燃料ガス、窒素、酸素の各濃度を測定可能な複数の濃度計からなる。本実施形態に示す副生ガスは、多種のガスの混合物である。このような混合されたガスからなる燃料ガスの濃度の検出には、燃料ガスに含まれる特定のガスを代表ガスとし、このガスの濃度を検出する方法であってもよい。ガス濃度計１６０の濃度検出範囲及び精度は、燃料ガスを燃焼排ガス又は窒素ガスで置換するときの管理値、燃焼排ガス又は窒素ガスを空気で置換するときの管理値から決定すればよい。ガス濃度計１６０の検出原理等は特に限定されないけれども、オンラインで検出可能なガス濃度計であることが望ましい。

制御装置１７０は、遮断弁、流量調整弁・ダンパ、窒素ガス供給弁、ブリーダ弁、試料採取弁、ガス濃度検出弁、放出弁を開閉するための信号を出力する。さらに燃焼排ガス供給ブロワ１１１、パージ用ガス供給ブロワ１１３を起動停止させるための信号を出力する。制御装置１７０は、ガス濃度計１６０からの信号を入力する入力部、入力部を介して入力されるデータを記憶する記憶部、データを予め定める手順で演算する演算部、演算部が算出するデータを出力する出力部を備える。制御装置１７０は、コンピュータを用いて実現することが可能であり、データ処理手順は、プログラムとしてコンピュータに入力することができる。さらに制御装置１７０は、ガスタービン制御装置（図示を省略）からの許可がないと動作しないように、ガスタービン制御装置と連係させることが望ましい。

次ぎに、ガス置換装置１００を用いて配管及び機器内のガスを置換する方法について説明する。図２から図６は、本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、図中の太線はガスの流れを示すための線である。まずミックスガス管３０及びコークス炉ガス管３１、燃料ガス圧縮機２及びガス戻り管２０、燃焼器３及び燃焼器周りの高圧の燃料ガス管１４のガスパージを行う（図２参照）。

制御装置１７０からの指令に基づき、ミックスガス管３０に連結するブリーダ弁１５２ｋ、コークス炉ガス管３１に連結するブリーダ弁１５２ｌを開放し、燃焼排ガス供給ブロワ１１１及びパージ用ガス供給ブロワ１１３を起動する。遮断弁１１６、１１７、１２５ｂ、１２５ｃ及び流量調整ダンパ１１４、１１５、１２４ｂ、１２４ｃを開け、ミッスクガス管３０及びコークス炉ガス管３１へ燃焼排ガスを供給する。このときミッスクガス管３０及びコークス炉ガス管３１に配設された流量調整弁３４、３５、コ−クス炉ガスブロワ出口ダンパ３９は、開とし、遮断弁３６、３７は閉とする。これにより、ミックスガス管３０内に滞留するミックスガスはブリーダ弁１５２ｋから大気に放出される。同様にコークス炉ガス管３１内に滞留するコークス炉ガスは、ブリーダ弁１５２ｌから大気に放出される。

製鉄所から供給される副生ガスを燃料とするボイラ２００から排出され、冷却された後の燃焼排ガス（乾き状態）は、酸素濃度が約２容量％、窒素濃度が約６６容量％、二酸化炭素が約３２容量％と酸素濃度が低いので、このガスをガスパージの置換用ガスとして使用しても安全である。また、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１は、長く、口径が０．６〜０．９ｍと大きく、容量が大きいけれども、燃焼排ガス供給ブロワ１１１及びパージ用ガス供給ブロワ１１３により多量の燃焼排ガスを送込むことで短時間のうちにガスパージを終了させることができる。燃焼排ガスは、直接冷却式の燃焼排ガス冷却器１１２で冷却した場合であっても、ばいじんが含まれることがあり、窒素ガスと比較するとダーティなガスと言えるが、ミックスガス管３０及びコークス炉ガス管３１は、電気集じん装置２７より上流なので、ばいじんを含む燃料ガスが流通することも予定されており、ガスパージの置換用ガスに燃焼排ガスを使用しても問題はない。なお、ボイラ２００から排出される燃焼排ガス量は、ガスパージに使用する燃焼排ガス量に比較して圧倒的に多いことは言うまでもない。

上記のように製鉄所から供給される副生ガスを燃料とするボイラ２００から排出される燃焼排ガスは、酸素濃度が約２容量％と低いけれども、管路１２０に配設された酸素濃度計１２１が燃焼排ガス中の酸素濃度の上昇を検出した場合は、窒素ガス供給管１４３から窒素ガスを供給する。燃焼排ガス中に窒素ガスを注入しても酸素濃度が上昇する場合は、燃焼排ガスの供給を停止し、放出弁１２２を開放して酸素濃度が低下するまで燃焼排ガスによるガスパージを中断する。なお、放出弁は、低圧燃料ガス系統のガス管内の圧力が通常の圧力を超えると、水取管などのブリーダ弁以外の箇所からガスが噴出するので、これを防止すべく燃焼排ガス圧力上昇の安全弁として機能させる場合もある。

ミックスガス管３０及びコークス炉ガス管３１のガスパージと同時に燃料ガス圧縮機２及びガス戻り管２０周りのガスパージを行う。制御装置１７０からの指令に基づき、ブリーダ弁１５２ｃ、１５２ｄを開放し、窒素ガス供給管１４１ａ、１４１ｃから燃焼圧縮機２及び燃料ガス圧縮機周りの配管に窒素ガスを供給する。このとき遮断弁１２、抽気弁６１、ガス濃度検出弁１５５ｂ、１５５ｃを開とし、高炉ガス管２８に配設される入口弁２９、ミッスクガス管３０に配設される遮断弁３７及びコークス炉ガス管３１に配設される遮断弁３６、燃焼排ガスを供給する管路１２３ｄに配設される遮断弁１２５ｄ、ブリーダ弁１５２ａ、１５２ｅ、１５２ｆ、１５２ｇ、１５２ｈ、１５２ｏは閉とする。これにより、燃料ガス圧縮機２及び燃料ガス圧縮機周りの配管内に滞留する燃料ガスはブリーダ弁１５２ｃ及びブリーダ弁１５２ｄから大気に放出される（図２参照）。

さらに燃焼器３及び燃焼器３周りの配管も同様に窒素ガスでガスパージする。制御装置１７０からの指令に基づき、ブリーダ弁１５２ｂを開放し、窒素ガス供給管１４１ｂから燃焼器周りの配管に窒素ガスを供給する。このとき遮断弁１３を開とすることで、窒素ガス供給管１４１ｂから供給される窒素ガスは、ブリーダ弁１５２ｂ及びガスタービン５に向かって流れ、配管内の燃料ガスはブリーダ弁１５２ｂ及びガスタービン５から排出される。これにより燃焼器３及び燃焼器周りのガスパージを行うことができる（図２参照）。

ガスパージを継続しながら、燃焼器３及びその周りの配管のガスパージが終了したか否かを判定するためにガス濃度の検出を行う。ガス濃度の検出は、試料採取弁１５３ｂを用いて行う。試料採取弁１５３ｂから採取したガスを、ガス濃度計１６０で一酸化炭素の濃度を検出する。一酸化炭素濃度が管理値以下になった時点で、この部分のガスパージを終了する。ガスパージ終了の管理濃度は、特定のガス濃度に限定されないけれども、安全性、置換効率の点から一酸化炭素濃度を１容量％とすることができる。表１に副生ガスのガス組成を示す。表１に示すように製鉄所から供給される副生ガスは、一酸化炭素濃度が高いこと、毒性があることから一酸化炭素を代表ガスとしてガスパージのモニタリングに用いることができる。

燃焼器３及びその周りの配管のガスパージが終了したと判断すると、ブリーダ弁１５２ｂ、窒素ガス供給弁１４２ｂ及び遮断弁１３を閉じる。同様に、ミックスガス管３０及びコークス炉ガス管３１のガスパージが終了したか否かを判定するためにガス濃度の検出を行う。ガス濃度の検出は、試料採取弁１５３ｋ、１５３ｌで行う。試料採取弁１５３ｋ、１５３ｌから採取したガスを所定の間隔でガス濃度計１６０により一酸化炭素の濃度を検出する。一酸化炭素濃度が管理値以下になった時点でガスパージを終了する。なお、コークス炉ガス管３１のコークス炉ガス清浄器８０を含めガス排出管１５１ｌと入口弁３３と間の管路は、別途窒素ガスを用いてガスパージする。

ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１のガスパージが終了したと判断すると、電気集じん装置２７に配設されたブリーダ弁１５２ｅ、１５２ｆ、ガス戻り管２０に連結するブリーダ弁１５２ｎ、１５２ｏ、ガス戻り弁６５を開ける。同時に遮断弁３６、３７を開け、ブリーダ弁１５２ｋ、１５２ｌを閉じる。さらに燃焼排ガスを供給する管路１２３ａ、１２３ｄに配設される遮断弁１２５ａ、１２５ｄ及び流量調整ダンパ１２４ａ、１２４ｄを開け、低圧の燃料ガス管１１にも燃焼排ガスを供給し、電気集じん装置２７及びその周りの低圧の燃料ガス管１１のガスパージを行う（図３参照）。

試料採取弁１５３ｎでガスパージが終了したと判断すると、ブリーダ弁１５２ｎ、１５２ｏを閉じ、燃焼排ガスを、ガス戻り管２０をガス冷却器２２方向に向かって流す。ガス戻り管２０内のガスは、ブリーダ弁１５２ｄから排出される。一方、高圧燃料ガス系統のガスパージについては、試料採取弁１５３ｃでガスパージが終了したと判断すると、ブリーダ弁１５２ｃを閉じる。これにより、窒素ガス供給管１４１ａ、１４１ｃから供給される窒素ガスは、ガス戻り管２０をガス冷却器２２に向かって流れると共に、抽気弁６１を備える抽気管６２を経由してガス冷却器２２に流れるので、ガス戻り管２０、抽気管６２を確実にガスパージすることができる（図４参照）。

電気集じん装置２７に配設される試料採取弁１５３ｅ、１５３ｆでガス濃度を検出し、電気集じん装置２７のガスパージが終了したと判断すると、ブリーダ弁１５２ｅ、１５２ｆを閉じ、燃料ガス圧縮機２のガス入口側の低圧の燃料ガス管１１をガスパージするため、ブリーダ弁１５２ａを開放する。これにより、燃焼排ガスは、電気集じん装置２７から燃料ガス圧縮機２に向かって流れ、この部分の燃料ガス管をガスパージすることができる。

燃料ガス圧縮機２のガス入口近傍の試料採取弁１５３ａでガス濃度を検出し、ガスパージが終了したと判断すると、燃焼排ガスを供給する管路１２３ｃ、１２３ｄの流量調整ダンパ１２４ｃ、１２４ｄの開度を絞って、燃焼排ガスの供給を継続する。燃料ガス圧縮機２の吐出側には、依然として窒素ガスが供給されているため、燃焼排ガスを供給する管路１２３ｃ、１２３ｄの流量調整ダンパ１２４ｃ、１２４ｄの開度を絞ると、圧力のバランスから窒素ガス供給弁１４２ｃから供給される窒素ガスが燃料ガス圧縮機２を経由してブリーダ弁１５２ａから排出される。ガス濃度検出弁１５５ａで窒素濃度が７０容量％以上であることを検出すると、燃焼排ガスを供給する管路１２３ｃ、１２３ｄの遮断弁１２５ｃ、１２５ｄを閉じ、電気集じん装置２７及び電気集じん装置２７と燃料ガス圧縮機２とを連結する低圧の燃料ガス管１１への燃焼排ガスの供給を停止する（図５参照）。

同様に、ガス戻り管２０のガス冷却器２２に連結する試料採取弁１５３ｄでガス濃度を検出し、ガスパージが終了したと判断すると、燃焼排ガスを供給する管路１２３ａ、１２３ｂの流量調整ダンパ１２４ａ、１２４ｂの開度を絞って、燃焼排ガスの供給を継続する。燃料ガス圧縮機２の吐出側には、依然として窒素ガスが供給されているため、燃焼排ガスを供給する管路１２３ａ、１２３ｂの流量調整ダンパ１２４ａ、１２４ｂの開度を絞ると、圧力のバランスから窒素ガス供給弁１４２ａ、１４２ｃから供給される窒素ガスがガス戻り管２０及び抽気管６２を経由してブリーダ弁１５２ｄから排出される。ガス濃度検出弁１５５ｂ、１５５ｃで窒素濃度が７０容量％以上であることを検出すると、燃焼排ガスを供給する管路１２３ａ、１２３ｂの遮断弁１２５ａ、１２５ｂを閉じ、ガス戻り管２０への燃焼排ガスの供給を停止する（図６参照）。

ガスパージの完了は、試料採取弁１５３ａ、１５３ｄでの一酸化炭素濃度が１容量％以下でかつ、ガス濃度検出弁１５５ａ、１５５ｂ、１５５ｃでの窒素濃度が７５容量％以上となった時点とする。本実施形態に示す燃焼排ガスは副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスであるので、窒素濃度が約６６容量％と高い。このため燃焼排ガスに含まれる窒素濃度が低い燃焼排ガスに比べ、短時間で窒素濃度７５容量％を達成することができる。

ガスパージが完了した後は全てのブリーダ弁１５２を開放し、燃焼排ガスを空気に切替え、空気を供給する。燃焼排ガスから空気への切替えは、遮断弁１１７、１３１の開閉の切替えで行うことができる。空気パージの完了は、全ての試料採取弁１５３、ガス濃度検出弁１５５で酸素濃度が２１容量％となった時点とする。

上記の手順をプログラミングすることで、本実施形態に示すガス置換装置１００を用いて、副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する機器及び配管内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、空気に置換する操作を自動化することができる。なお、各系統へ供給する燃焼排ガス、窒素ガスの流量、これを供給する順番、タイミング、供給する時間などとガス濃度との関係を事前に検討しておくこと、実績から把握しておくことで、ガス濃度の検出を省略することもできる。

本実施形態に示すように本発明のガス置換方法は、ガスパージの対象となる配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する配管及び機器と燃料ガス圧縮機２が圧縮した高圧の燃料ガスが流通する配管及び機器とに分け、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統の配管及び機器のガスパージには、ボイラの燃焼排ガスを使用し、燃料ガス圧縮機２も含め高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統の配管及び機器のガスパージには、窒素ガスを使用する点に特徴がある。低圧燃料ガス系統と高圧燃料ガス系統の容量は、前者が圧倒的に大きいことから、従来のガス置換方法に比較し本発明のガス置換方法は、窒素ガスの消費量を大幅に削減することができる。さらに燃料ガス圧縮機２、燃焼器３などは窒素ガスを用いてガスパージを行うので、ばいじん等によるトラブルの心配がない。

低圧燃料系統、特に高炉ガス管２８、低圧の燃料ガス管１１は、口径が２．７ｍと容量が大きいけれども、ボイラの燃焼排ガスは多量であることから、この燃焼排ガスをブロワを用いて、大流量で送り込むことで短時間のうちに低圧燃料系統のガスパージを終了させることができる。副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスは、酸素濃度が約２容量％と低く、副生ガス自身も窒素濃度が高いことからボイラの燃焼排ガスをガスパージの置換用ガスとして使用しても危険はない。さらに燃焼排ガスの酸素濃度が高いときは、窒素ガスを混合して供給することが可能なので、安全にガスパージを行うことができる。

またガスパージ完了後は、低圧燃料系統と高圧燃料系統との配管及び機器を連通させ、これらを一体として空気パージを行うので効率的である。またパージ用ガス供給ブロワを空気供給用のブロワとしても利用することで、大流量の空気を送り込むことが可能となり、短時間に空気パージを行うことができる。さらに、ボイラの燃焼排ガスを、燃焼排ガスと水とを直接接触させ燃焼排ガスを冷却すれば、燃焼排ガス中に含まれるばいじんも除去され、ガスパージの置換用ガスとして有用である。なお、本発明の実施形態では、燃焼排ガスの供給源として、製鉄所から供給される副生ガスを燃料とするボイラ２００から排出される燃焼排ガスを利用する例を示したけれども、燃焼排ガスの供給源はこれに限定されるものではなく、製鉄所から供給される副生ガスを専用の燃焼炉で燃焼させ製造したものであってもよい。また、定期点検工事完了後の機器及び配管に燃料を供給するときも、火災、ガス爆発防止のため機器及び配管内を一旦不燃性ガスに置換するが、この場合においても本発明を使用することができることは言うまでもない。

図１は本発明の実施の一形態としての副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する機器及び配管内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、空気に置換するガス置換装置１００の概略的構成を示す図である。 本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、ミックスガス管３０、コークス炉ガス管３１、燃料ガス圧縮機２及び燃焼器３等のガスパージ要領を示す図である。 本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、低圧の燃料ガス管１１、電気集じん装置２７、ガス戻り管２０等のガスパージ要領を示す図である。 本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、ガス戻り管２０、抽気管６２等のガスパージ要領を示す図である。 本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、低圧の燃料ガス管１１のガスパージが終了した状態を示す図である。 本発明のガス置換の置換要領を説明するための図であり、ガスパージ終了直前の状態を示す図である。 従来の製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備及び燃料ガス管の系統の概略を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン発電設備
２ 燃料ガス圧縮機
３ 燃焼器
１１ 低圧の燃料ガス管
１４ 高圧の燃料ガス管
２０ ガス戻り管
２７ 電気集じん装置
２８ 高炉ガス管
３０ ミックスガス管
３１ コークス炉ガス管
６２ 抽気管
１００ ガス置換装置
１１０ 燃焼排ガス供給装置
１１１ 燃焼排ガス供給ブロワ
１１２ 燃焼排ガス冷却器
１１３ パージ用ガス供給ブロワ
１３０ 空気供給装置
１４１ 窒素ガス供給管
１４３ 窒素ガス供給管
１５１ ガス排出管
１６０ ガス濃度計
１７０ 制御装置
２００ ボイラ

Claims (7)

1. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、
   燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、
   該低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに燃焼排ガスを使用し、
   該高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに窒素ガスを使用することを特徴とするガス置換方法。
2. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに該配管及び該機器内のガスを空気に置換するガス置換方法において、
   燃料ガスが流通する配管及び機器を、低圧の燃料ガスが流通する低圧燃料ガス系統と、燃料ガス圧縮機により圧縮された高圧の燃料ガスが流通する高圧燃料ガス系統とに分け、
   該低圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを使用し、
   該高圧燃料ガス系統の配管及び機器については、該不燃性ガスに窒素ガスを使用することを特徴とするガス置換方法。
3. 前記配管及び機器内のガスを空気に置換する操作は、前記低圧燃料ガス系統及び前記高圧燃料ガス系統両系統の燃料ガスを不燃性ガスに置換する操作が終了した後、前記低圧燃料ガス系統の配管及び機器と前記高圧燃料ガス系統の配管及び機器とを連通させ、一体的に配管及び機器内のガスを空気に置換することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス置換方法。
4. 前記燃焼排ガスは、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却したガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載のガス置換方法。
5. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備の燃料ガスが流通する配管及び機器内の燃料ガスを不燃性ガスに置換した後、さらに空気に置換するガス置換装置であって、
   少なくとも燃料ガスが流通する配管に窒素ガスを供給可能な窒素ガス供給手段と、
   少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の該燃焼排ガスを供給可能な燃焼排ガス供給手段と、
   少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガスを排出可能なガス排出手段と、
   少なくとも燃料ガスが流通する配管に空気を供給可能な空気供給手段と、
   少なくとも燃料ガスが流通する配管内のガス濃度を検出可能なガス濃度検出手段と、
   予め定める手順に基づき該窒素ガス供給手段、該燃焼排ガス供給手段、該ガス排出手段、及び該空気供給手段の動作を制御する制御手段と、
   を含むことを特徴とするガス置換装置。
6. 前記燃焼排ガス供給手段に代え、少なくとも燃料ガスが流通する配管に、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、冷却した後の該燃焼排ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを供給可能な混合ガス供給手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のガス置換装置。
7. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするボイラの燃焼排ガスを冷却し、かつ燃焼排ガスに含まれるばいじんを除去したことを特徴とする燃料ガス置換用ガス。

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