JP4898294B2 - コンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、コンバインドサイクルプラントの吸気加熱システムに関し、特に極寒冷地域においても運用することができるように工夫したものである。

製鉄プロセスにおいては、高炉から大量のＢＦＧ（Blast Furnace Gas）が発生する。近年では、環境保全やエネルギーの有効利用の観点から、このＢＦＧをガスタービンの燃料として利用する、ＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントが注目されている。

ＢＦＧは、ガスタービン用燃料として通常使用されている天然ガスに比べて、発熱量が低く、また、燃料中に不純物を多く含む等の特殊な燃料状態となっている。
このため、ＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントでは、ガスタービン軸に直結のガス圧縮機でＢＦＧを圧縮してから燃焼器にて燃焼を行なう等々の、各種の工夫をして、ＢＦＧを燃料として使用している。

このようなＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントを、温暖地域のみならず、極寒冷地域にも設置することが検討されている。

特開２００３−１６１１６４号公報 実開昭６２−９０９４９号公報

ＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントを、極寒冷地域に設置する場合には、ＢＦＧの発熱量が低いことと、吸入する大気空気温度が極めて低い（例えば−３０°Ｃ）ことが相まって、次のような課題が発生する。

（１）ガスタービンの着火性能が悪化する。
つまり、大気温度が極めて低い（例えば−３０°Ｃ）条件下では、ガスタービンを着火するのが、困難になってしまう。

（２）無負荷時での燃焼振動が発生し易くなる。
つまり、大気温度が極めて低い（例えば−３０°Ｃ）条件下では、昇速時や無負荷時近傍に燃焼振動が発生しやすい傾向にあるため、昇速時や低負荷時において、燃焼振動が生じないように行う調整が困難になってくる。

（３）圧縮機の入口での吸気中の水分の氷結が発生する。
吸入した大気温度が低い場合には、低温の空気中の水分が圧縮機の入口で氷結する恐れがある。
このため、圧縮機の車室の空気の一部を抽気し、吸気空気に混入して吸気を加熱するアンチアイシング技術が既に開発されている。しかし、この技術では、圧縮機の車室内空気を抽気しているため、燃焼性に悪影響を与え、大量の空気を抽気することはできず、吸気温度の上昇幅が制限されていた。
したがって、かかる技術を、極寒冷地域に設置するＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントに適用したとしても、抽気空気量の制限があるため、極低温（例えば−３０°Ｃ）の空気を加熱するのに要求される加熱用の抽気空気量を確保することができない。

（４）定格負荷付近での空気圧縮機にサージングが発生し易くなる。
つまり、大気温度が極めて低い（例えば−３０°Ｃ）条件下では、定負荷時にサージングが発生しやすいため、サージングが発生しないように圧縮機を制限して運転をするため、負荷制限が必要になり高負荷での運転が困難になる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ＢＦＧ等のような発熱量の低いガスを燃料とするコンバインドサイクルプラントにおいて、燃焼性に悪影響を与えることなく、極めて低温の吸気空気を有効に加熱することができる、コンバインドサイクルプラントの吸気加熱システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に流通させると共に前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す加熱媒体流通構造と、
を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に流通させると共に前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す加熱媒体流通構造と、
を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に供給する蒸気供給管と、
前記蒸気供給管に介装された蒸気調節弁と、
前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す戻り管と、
前記圧縮機に吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器で検出した温度が、予め設定した温度となるように、前記蒸気調節弁の開度を調節する制御装置と、
を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に供給する蒸気供給管と、
前記蒸気供給管に介装された蒸気調節弁と、
前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す戻り管と、
前記戻り管に介装されたドレンタンク、ならびに、前記戻り管のうち前記ドレンタンクよりも復水器側に配置された水位調節弁と、
前記圧縮機に吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出器と、
前記ドレンタンク内の水位を検出する水位検出器と、
前記温度検出器で検出した温度が予め設定した温度となるように、前記蒸気調節弁の開度を調節するとともに、前記水位検出器で検出した水位が予め設定した設定水位となるように、前記水位調節弁の開度を調節する制御装置と、
を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記燃料ガスは、ＢＦＧ（Blast Furnace Gas）などの低カロリー燃料であることを特徴とする。

本発明では、吸気ダクトに熱交換器を配置し、排熱回収ボイラにより発生した蒸気の一部を、熱交換器に流通させることにより、吸入空気を加熱するようにしたので、極低温の吸入空気であっても効果的に加熱することができる。
このように吸入空気の効果的な加熱ができるため、ガスタービンの着火性能の向上（着火し易くなる）、燃焼振動の防止、氷結の発生、サージング発生の防止を、実現することができる。
したがって、ＢＦＧのような発熱量の低い燃料ガスを利用する、コンバインドサイクルプラントを、極寒冷地域においても運転することが可能となる。

また排熱回収ボイラの蒸気の一部を吸入空気の加熱に利用するだけであるため、ガスタービン車室空気を使用するアンチアイシングシステムと比べ、ガスタービンの燃焼性能に悪影響を与えることもない。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る、ＢＦＧ焚きコンバインドサイクルを示す系統図である。
本実施例では、圧縮機１と、ガスタービン２と、発電機３と、蒸気タービン４と、ガス圧縮機５は、同一の回転軸に備えられている。

吸気ダクト６を介して吸入された吸入空気を圧縮機１にて圧縮した圧縮空気と、ガス圧縮機５にて圧縮されたＢＦＧは、燃焼器７にて燃焼する。この燃焼により生じた燃焼ガスによりガスタービン２が駆動する。ガスタービン２から排出される排ガスは、その熱が、排熱回収ボイラ８にて回収され、排熱回収ボイラ８では蒸気が発生する。排熱回収ボイラ８にて熱回収された排ガスは煙突９から排出される。

排熱回収ボイラ８にて発生した蒸気は蒸気タービン４に送られ、蒸気タービン４を駆動する。蒸気タービン４から排出された排出蒸気は、復水器１０にて冷却されて復水される。復水された水は、排熱回収ボイラ８から熱を受けて再び蒸気となって蒸気タービン４に送られる。なお、１１は節炭器、１２は蒸発器、１３は過熱器である。

ここまで説明した構成は、従来からあるＢＦＧ焚きコンバインドサイクルプラントと同じである。

更に本実施例では吸気ダクト６内、具体的には吸気ダクト６内のうち吸気フィルタを備えた部分（吸気フィルタの後流側）に、熱交換器２０を備えている。

この熱交換器２０には、蒸気供給管２１を介して、排熱回収ボイラ８にて発生した蒸気（自缶蒸気）が供給されるようになっている。この供給蒸気は、熱交換器２０内を流通することにより、空気ダクト６内を流通する吸入空気を加熱する。熱交換器２０は、蒸気と吸入空気が直接接触することのない、非接触型の熱交換器である。
また蒸気供給管２１には、蒸気調節弁２２が介装されている。

なお、自缶蒸気が発生していないとき、つまり、排熱回収ボイラ８による蒸気が発生していないときには、補助蒸気源（図示省略）から、補助蒸気供給管２３を介して、熱交換器２０に補助蒸気が供給される。
この補助蒸気供給管２３には、補助蒸気調節弁２４が介装されている。

本例では、熱交換器２０に供給された蒸気は、熱交換機２０内を流通することにより凝縮して水になる。つまり、熱交換器２０は凝縮熱交換器として機能し、蒸気の持っている凝縮熱も利用して吸入空気の加熱をする。このため、加熱効率が高い。

自缶蒸気を熱交換器２０に供給したときには、熱交換器２０内を流通して凝縮した水は、戻り管２５を介して復水器１０に戻される。
戻り管２５には、熱交換器２０側にドレンタンク２６が介装され、復水器１０側に水位調節弁（戻り側）２７が介装されている。

補助蒸気を熱交換器２０に供給したときには、熱交換器２０内を流通して凝縮した水は、大気放散管２８を介して外部に排出される。
大気放散管２８には、水位調節弁（大気放散側）２９が介装されている。

また吸気ダクト６内には、圧縮機１に吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出器３０が備えられている。温度検出器３０にて検出した検出温度は、制御装置４０に送られる。
ドレンタンク２６には、ドレンタンク２６内に溜まった水の水位を検出する水位検出器３１が備えられている。水位検出器３１にて検出した検出水位は、制御装置４０に送られる。

制御装置３０は、各弁２２，２４，２７，２９の開閉制御及び開度制御をする。この制御装置３０による制御手法を次に説明する。

＜自缶蒸気により吸気加熱をする場合＞
この場合には、制御装置４０は次のような弁制御をする。
まず補助蒸気調節弁２４と、水位調節弁（大気放散側）２９を全閉とする。

この状態で、温度検出器３０にて検出した吸入空気の温度が、予め設定した温度（例えば５°Ｃ）となるように、蒸気調節弁２２の開度を調節する。このように、蒸気調節弁２２の開度を調節して、熱交換器２０に流す蒸気量を調節することにより、吸入空気を加熱する程度を調節して、圧縮機１に吸入される空気温度が設定温度にまで効果的に加熱することができる。

この場合、吸入空気の温度と蒸気の温度との温度バランスにより、熱交換器２０は凝縮熱交換器として機能する。

なお、温度検出器３０で検出した吸入空気の検出温度のみならず、供給される蒸気の圧力を検出し、この圧力も加味して、蒸気調節弁２２の開度調整をするようにしてもよい。
つまり、吸入空気温度による蒸気調節弁２２の開度調整を基本としつつ、蒸気の圧力が高い場合には、蒸気調節弁２２の開度を小さくし、蒸気の圧力が低い場合には、蒸気調節弁２２の開度を大きくする制御をも加味して、蒸気調節弁２２の開度調整をするようにしてもよい。

更に、水位検出器３１にて検出したドレンタンク２６内の検出水位が、予め設定した設定水位となるように、水位調節弁２７の開度を調節している。このように水位調節することにより、復水器１０に水のみが戻り、蒸気が戻ることを防止することができる。

＜補助蒸気により吸気加熱をする場合＞
この場合には、制御装置４０は次のような弁制御をする。
まず蒸気調節弁２２と、水位調節弁２７を全閉とする。

この状態で、温度検出器３０にて検出した吸入空気の温度が、予め設定した温度（例えば５°Ｃ）となるように、補助蒸気調節弁２４の開度を調節する。このように、補助蒸気調節弁２４の開度を調節して、熱交換器２０に流す蒸気量を調節することにより、吸入空気を加熱する程度を調節して、圧縮機１に吸入される空気温度が設定温度にまで効果的に加熱することができる。

この場合、吸入空気の温度と蒸気の温度との温度バランスにより、熱交換器２０は凝縮熱交換器として機能する。

なお、温度検出器３０で検出した吸入空気の検出温度のみならず、供給される蒸気の圧力を検出し、この圧力も加味して、補助蒸気調節弁２４の開度調整をするようにしてもよい。
つまり、吸入空気温度による補助蒸気調節弁２４の開度調整を基本としつつ、蒸気の圧力が高い場合には、補助蒸気調節弁２４の開度を小さく、蒸気の圧力が低い場合には、補助蒸気調節弁２４の開度を大きくする制御をも加味して、補助蒸気調節弁２４の開度調整をするようにしてもよい。

更に、水位検出器３１にて検出したドレンタンク２６内の検出水位が、予め設定した設定水位となるように、水位調節弁２９の開度を調節している。

本発明はＢＦＧ焚きのコンバインドサイクルプラントのみならず、発熱量の少ないガスを燃料としたコンバインドサイクルプラントにも適用することができる。

本発明の実施例に係るコンバインドサイクルプラントを示す系統図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ ガスタービン
３ 発電機
４ 蒸気タービン
５ ガス圧縮機
６ 吸気ダクト
７ 燃焼器
８ 排熱回収ボイラ
９ 煙突
１０ 復水器
２０ 熱交換器
２１ 蒸気供給管
２２ 蒸気調節弁
２５ 戻り管
２６ ドレンタンク
２７ 水位調節弁
３０ 温度検出器
３１ 水位検出器
４０ 制御装置

Claims (5)

1. 吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
   を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
   前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に流通させると共に前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す加熱媒体流通構造と、
   を備えたことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム。
2. 吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
   燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
   を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
   前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に流通させると共に前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す加熱媒体流通構造と、
   を備えたことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム。
3. 吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
   燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
   を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
   前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に供給する蒸気供給管と、
   前記蒸気供給管に介装された蒸気調節弁と、
   前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す戻り管と、
   前記圧縮機に吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器で検出した温度が、予め設定した温度となるように、前記蒸気調節弁の開度を調節する制御装置と、
   を備えたことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム。
4. 吸気ダクトを介して吸入した吸入空気を圧縮する圧縮機と、
   燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と前記ガス圧縮機で圧縮した燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器で燃焼して得た燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンから排出される排ガス中の熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラにより発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された排出蒸気を復水する復水器と、
   を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記吸気ダクト内に配置された熱交換器と、
   前記排熱回収ボイラの過熱器にて発生し前記蒸気タービンに送られる蒸気の一部を分岐して前記熱交換器に供給する蒸気供給管と、
   前記蒸気供給管に介装された蒸気調節弁と、
   前記熱交換器から排出される水を前記復水器に戻す戻り管と、
   前記戻り管に介装されたドレンタンク、ならびに、前記戻り管のうち前記ドレンタンクよりも復水器側に配置された水位調節弁と、
   前記圧縮機に吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出器と、
   前記ドレンタンク内の水位を検出する水位検出器と、
   前記温度検出器で検出した温度が予め設定した温度となるように、前記蒸気調節弁の開度を調節するとともに、前記水位検出器で検出した水位が予め設定した設定水位となるように、前記水位調節弁の開度を調節する制御装置と、
   を備えたことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム。
5. 請求項２乃至請求項４の何れか一項において、
   前記燃料ガスは、ＢＦＧ（Blast Furnace Gas）であることを特徴とするコンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム。

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