JP5039719B2

JP5039719B2 - 高湿分利用ガスタービンシステム及びガスタービンシステムの回収水脱気方法

Info

Publication number: JP5039719B2
Application number: JP2009001270A
Authority: JP
Inventors: 広田　　守; 秀文荒木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP2010159658A

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼空気に利用してガスタービンを運転し発電する高湿分利用ガスタービンシステム、及び、ガスタービンの排ガスから回収した回収水の脱気方法に関する。

ガスタービンの排ガスを利用した排熱回収ボイラで水蒸気を発生させ、その水蒸気を燃焼器に添加して、ガスタービンの出力を増大させるガスタービンシステムがある（例えば、特許文献１参照）。このシステムは、排熱回収ボイラの排ガスから水分を回収する水回収装置を備えており、排ガスから回収した回収水を排熱回収ボイラの給水として再度利用することができる。水分を加湿した空気を利用してガスタービンを運転するシステムにおいて、排ガスから再度水分を回収して再度、その回収水を利用する場合、回収水を浄化する水処理装置を備える必要がある。水処理装置としては、脱気器及びイオン交換装置がある。

特開２０００−５４８５４号公報

回収水には燃焼ガス中に含まれるＮＯｘ，ＣＯ_２，Ｏ_２が溶解し、回収水中には硝酸イオン、炭酸イオン等の不純物が多く含まれる。不純物の除去にはイオン交換樹脂が用いられる。イオン交換樹脂は、回収水中の不純物が多いほど再生頻度が増加する。イオン交換樹脂の再生には薬液が必要であり、廃液処理にもコストがかかる。イオン交換樹脂の再生頻度を少なくするためには、回収水の不純物濃度を低くする必要がある。特に、不純物で最も濃度が高い炭酸イオンの除去は有効である。上記の特許文献１には、回収水を増湿塔へ送る系統に脱気器を設置し、炭酸ガスを除去することが記載されている。

しかしながら、炭酸を除去するために脱気器を設置した場合、一般的に大量の水を脱気する手法としては、加熱脱気、真空脱気等があるが、特許文献１にはその詳細は全く記載されていない。加熱脱気により回収水中の炭酸ガスを除去する場合は、高温の蒸気を生成するボイラ等の設備が必要になり、真空脱気により回収水中の炭酸ガスを除去する場合は、真空ポンプ等の設備が必要になる。すなわち、ガスタービンシステムに脱気器を導入するにあたり、新たな設備を必要とし、システム全体の熱効率が低下する。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高湿空気を利用してガスタービンを運転するシステムにおいて、排ガスから回収する水分から効率よく炭酸ガス及び酸素ガス等の溶存ガスを除去する高湿分利用ガスタービンシステム及び高湿分利用ガスタービンシステムの回収水脱気方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る高湿分利用ガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した空気を加湿する増湿塔と、前記増湿塔で加湿された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンから排出される排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置とを備えた高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、前記水回収装置から前記増湿塔へ循環される回収水を、前記ガスタービンの排ガスと熱交換して加熱脱気する脱気器を備え、前記増湿塔の水をガスタービンの排ガスとの熱交換により加熱するエコノマイザを備え、前記脱気器は、前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用するように構成し、前記水回収装置と前記脱気器との間に、前記水回収装置から前記脱気器へ導入される前記回収水と前記熱源として使用した過熱蒸気とを熱交換する熱交換器を設けたことを特徴とするものである。
また、本発明に係る高湿分利用ガスタービンシステムの回収水脱気方法は、燃料と増湿塔で加湿された空気とを燃焼して駆動されるガスタービンから排出された排ガスに含まれる水分を水回収装置で回収し、その回収した回収水を脱気し、脱気した回収水を前記増湿塔で前記空気を加湿させる高湿分利用ガスタービンシステムの回収水脱気方法において、ガスタービンの排ガスと熱交換するエコノマイザによって前記増湿塔の水をガスタービンの排ガスとの熱交換により加熱して過熱蒸気とし、前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用する脱気器によって前記水回収装置から前記増湿塔へ循環される回収水を、前記ガスタービンの排ガスと熱交換して加熱脱気し、前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用する熱交換器によって前記水回収装置から前記脱気器へ導入される前記回収水と前記熱源として使用した過熱蒸気とを熱交換することを特徴とするものである。

本発明によれば、回収水から炭酸ガスと酸素ガスを効率よく除去することができる。回収水から炭酸ガス及び酸素ガスを除去することで、脱気器出口から増湿塔までの配管の局部腐食を抑制できる。また、回収水を加熱脱気することにより、水浄化装置のイオン交換樹脂の再生頻度を少なくすることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態のガスタービンシステムの構成を示す系統構成図である。

図１に示すように、高湿分利用ガスタービンシステムは、基本的な構成として、空気を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮した空気を加湿する増湿塔７と、増湿塔７で加湿された空気と燃料とを燃焼する燃料器２と、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン４と、増湿塔７の水を浄化する水浄化装置２１と、タービン４から排出される排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置２４と、水回収装置２４から増湿塔７へ循環される回収水を加熱脱気する脱気器（加熱脱気装置）１０１とを備える。

以下、ガスタービンシステムの詳細な構成を気体の流れ及び水の流れに沿って説明する。空気はフィルタ１を通して圧縮機３に送られ圧縮される。圧縮された空気は、配管６を通って空気冷却器８へ送られ、空気冷却器８で冷却されて増湿塔７に入る。増湿塔７へ送られた空気は、増湿塔７で水分が添加され、配管１８を通って再生熱交換器１１に送られる。加湿空気は、再生熱交換機１１で温度上昇し、燃焼器２で燃料と混合してタ−ビン４を回転させる。

タービン４から排出され水分を含んだ排ガス５は、再生熱交換器１１で増湿塔７から供給される加湿空気と熱交換した後、増湿塔７の循環水１０とエコノマイザ２２で熱交換する。熱交換された排ガスは、水回収装置２４で水分が回収され、ガス成分の大半は煙突２３から大気に放出される。水回収装置２４では、排ガス５に冷却器２５で冷却された回収水を噴霧ノズル２９から噴霧し、排ガス５から水分を回収する。

回収水はポンプ２７により脱気器熱交換器１０２で熱交換し、脱気器１０１に送られる。脱気器１０１では回収水１００から溶存ガスである炭酸ガスと酸素ガスが除去される。脱気された回収水１００は、ポンプ２６により配管１４を通り増湿塔７に送られる。増湿塔７の循環水１０はポンプ９から３つに分岐した配管１２，１３，１５に送られる。

配管１３に送られた循環水は、配管１３を通ってエコノマイザ２２により、再生熱交換器１１からの排ガス５と熱交換する。エコノマイザ２２で熱交換した高温水は２つの配管２２ａ，２２ｂに分岐されて送られる。一方の配管２２ａの高温水は、増湿塔７の上部の噴霧ノズル１７から噴霧して空気を加湿する。他方の配管２２ｂの高温水は、バルブ２８で減圧されて過熱蒸気として脱気器１０１に供給され、回収水１００を脱気した後に脱気器熱交換器１０２で熱交換し、配管１０３により煙突２３から排気される。

配管１５に送られた循環水１０は、ポンプ９から配管１５を通り空気冷却器８で圧縮空気と熱交換し、増湿塔７の上部で噴霧ノズル１６から噴霧して空気を加湿する。

配管１２に送られた循環水は、バルブ２０を通り水浄化装置２１に入り、水中の不純物を除去し、水回収装置２４に入る。煙突２３から大気に放出された一部の水分は、用水を水浄化装置２００で浄水し、その水を一旦補給水タンク２０１に溜め必要に応じてポンプ２０３を稼動させて配管２０２を通して増湿塔７へ供給される。

次に、加熱脱気装置の詳細について説明する。図２は加熱脱気装置の構成を示す模式図である。図２に示すように、加熱脱気装置１０１は、脱気器本体１１０の上部（天井）に、回収水１００を噴霧する噴霧ノズル１０４が設けられている。水回収装置２４から送られる回収水１００は、熱交換器１０２で加熱され、噴霧ノズル１０４から噴霧する。脱気器本体１１０の中央部には、ノズルから噴霧された回収水１００の落下を一時的に留めるための充填物（邪魔板）１０７が設けられ、噴霧された回収水１００は充填材１０７の下方から上昇してくる過熱蒸気と効率よく熱交換することができる。脱気器本体１１０の下部には、配管１３の出口が配置され、配管１３からの流入してくる過熱蒸気と充填物１０７から落下した回収水１００とを混合させると共に、回収水１０７を下方に集める混合室１０９が設けられている。充填物１０７から落下した回収水１００は、混合室１０９において、配管１３から入る過熱蒸気と混合して熱交換する際、最も温度が高くなり蒸気成分は上方向に水成分は下方向に落下する。脱気された回収水１０６は、混合室１０９の底部に設けられた降水管１１１を介して脱気器本体１１０の下方に設けられたタンク１０５に溜められる。タンク１０５内圧力は、連絡管１０８により脱気器１０１内と同じ大気圧にされ、溜められた回収水１０６は配管１４を通って増湿塔７へ送られる。

このように、水回収装置２４から増湿塔７の間に脱気器１０１を設置することで、回収水１００に溶解した排ガス成分であってガスのまま溶解している成分であるＣＯ_２，Ｏ_２，N_２ガスを殆ど除去することができる。ＣＯ_２は水に溶解すると水中でＨＣＯ_３ ⁻或いはＣＯ_３ ^２−を生成し、溶解する水のｐＨにより存在する比率が変化する。回収水１００のｐＨは４程度であり、ＣＯ_２はその殆どがＣＯ_２ガスとして存在するので加熱脱気により除去することができる。

図３は、本実施形態のガスタービンシステムと脱気器を具備しない従来のガスタービンシステムについて、回収水１００のＣＯ_２濃度とシステム運転経過時間との関係を比較したグラフである。図３に示すように、本実施形態及び従来例共に、ＣＯ_２の初期値は大気飽和の約１ｍｇ／ｌであるが、脱気器を具備しない従来例では運転時間の経過につれてＣＯ_２濃度が上昇し、最大４２ｐｐｍまで上昇する（グラフは推定値）。これに対して、脱気器１０１を具備する本実施形態では、ＣＯ_２濃度は０．１ｍｇ／ｌまで低下することができる。ＣＯ_２濃度が低下するとシステム運転時における回収水１００のｐＨの低下を抑制することができる。

図４は、本実施形態のガスタービンシステムと従来のガスタービンシステムについて、回収水のｐHとシステム運転経過時間との関係を比較したグラフである。図４に示すように、回収水１００のＣＯ_２を除去することによって、回収水１００のｐＨを低下させるイオンはＮＯｘ，ＳＯｘに限定され、本実施形態では、ｐＨの低下を抑制することができる。一般的に鉄系及びステンレス鋼の材料を水に浸漬した場合、ｐＨが低いほど腐食し易い傾向にある。特に、ステンレス鋼においてはすき間腐食や孔食はｐＨが低いほど発生しやすく、ｐＨ低下を抑制することによってそれらの腐食を抑制できる。また、オーステナイト系ステンレス鋼においてよく見られる応力腐食割れもｐＨの低下を防ぐことによって割れの発生を防ぐことができる。したがって、回収水１００のｐＨ低下を抑制することで配管１４の腐食を抑制することができる。

図５は、本実施形態のガスタービンシステムと従来のガスタービンシステムについて、回収水に溶存するＯ_２濃度とシステム運転経過時間との関係を比較したグラフである。図５に示すように、脱気器１０１を具備しない従来例では運転初期と同じ大気飽和のため、回収水中のＤＯ濃度（溶存酸素濃度）は約８ｍｇ／ｌである。これに対して、脱気器１０１を具備する本実施形態では、ＤＯ濃度が運転時間と共に０．１ｍｇ／ｌまで低下する。一般的に金属材料を水に浸漬した場合、ＤＯ濃度が高いほど腐食し易い傾向にある。特に、ステンレス鋼においてはすき間腐食や孔食はＤＯ濃度が高いほど発生しやすく、ＤＯ濃度を低くすることによってそれらの腐食を抑制できる。また、オ−ステナイト系ステンレス鋼において見られる応力腐食割れはＤＯ濃度が低いほど割れの発生を防ぐことができる。したがって、回収水１００のＤＯ濃度を低下させることで配管１４の腐食を抑制することができる。

本実施形態の高湿分利用ガスタービンシステムによれば、水回収装置２４の出口近傍に設けた脱気器１０１及び熱交換器１０２を用いて、エコノマイザ２２により加熱された過熱蒸気を利用して回収水１００を脱気し、排ガスの熱を熱交換器１０２で回収することにより、熱効率の低下させることなく回収水１００の加熱脱気を行うことができる。また、脱気器１０１で脱気された回収水１０６は高温の蒸気と接したために温度が１００℃以上の温水になる。したがって、増湿塔７にある循環水１０の温度は脱気器１０１が無い場合に比較して上昇する。これにより、外部からの熱の供給や電力の供給なしに効率よくガスタービンの空気に湿分を添加することができ効率を上昇させることができる。

すなわち、本システムによれば、システム全体の熱効率を向上させると共に、配管の腐食を防止し、水浄化装置２１のイオン交換樹脂の再生頻度を低下させることができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。本実施形態では、脱気器１０１において、回収水１００を加熱脱気するための熱源としてエコノマイザ２２から供給される高温水（過熱蒸気）を用いたが、加熱脱気するための熱源として、タービン（或いは再生熱交換機１１）からの排ガス５を直接用いてもよい。例えば、タービン５或いは再生熱交換器１１からの排ガス用の配管を、脱気器１０１の充填材１０７近傍を通って煙突２３へ通じるように設け、脱気器１０１内に噴霧される回収水１００を、配管を通る排ガス５と熱交換して脱気するようにしてもよい。

本発明に係るガスタービンシステムの一実施形態の構成を示すブロック図である。脱気器の構成を示す断面図である。システムの運転時間と回収水のＣＯ_２濃度との関係を示すグラフである。システムの運転時間と回収水のｐＨとの関係を示すグラフである。システムの運転時間を溶存酸素濃度との関係を示すグラフである。

２…燃焼器３…圧縮機４…タ−ビン５…排気ガス７…増湿塔２１…水浄化装置２２…エコノマイザ２４…水回収装置１００…回収水１０１…脱気器１０２…熱交換器１０６…脱気した回収水

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した空気を加湿する増湿塔と、前記増湿塔で加湿された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンから排出される排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置とを備えた高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
前記水回収装置から前記増湿塔へ循環される回収水を、前記ガスタービンの排ガスと熱交換して加熱脱気する脱気器を備え、
前記増湿塔の水をガスタービンの排ガスとの熱交換により加熱するエコノマイザを備え、前記脱気器は、前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用するように構成し、
前記水回収装置と前記脱気器との間に、前記水回収装置から前記脱気器へ導入される前記回収水と前記熱源として使用した過熱蒸気とを熱交換する熱交換器を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
燃料と増湿塔で加湿された空気とを燃焼して駆動されるガスタービンから排出された排ガスに含まれる水分を水回収装置で回収し、その回収した回収水を脱気し、脱気した回収水を前記増湿塔で前記空気を加湿させる高湿分利用ガスタービンシステムの回収水脱気方法において、
ガスタービンの排ガスと熱交換するエコノマイザによって前記増湿塔の水をガスタービンの排ガスとの熱交換により加熱して過熱蒸気とし、
前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用する脱気器によって前記水回収装置から前記増湿塔へ循環される回収水を、前記ガスタービンの排ガスと熱交換して加熱脱気し、
前記エコノマイザで加熱された過熱蒸気を熱源として使用する熱交換器によって前記水回収装置から前記脱気器へ導入される前記回収水と前記熱源として使用した過熱蒸気とを熱交換することを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステムの回収水脱気方法。