JP5101642B2 - 低ｂｔｕ燃料燃焼の複合サイクル・パワー・プラントの性能加熱による最適化 - Google Patents
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Description
本発明は一般的に、低ＢＴＵ燃料燃焼の複合サイクル・パワー・プラントに関し、より詳細には、ガス・タービンに供給される燃料の最適化と複合サイクル・パワー・プラントにおける効率およびパワー出力の向上とを、燃料の性能加熱を通して行なうことに関する。
低ＢＴＵ燃料燃焼の複合サイクル・パワー・プラントは、複合サイクル・パワー・プラントの１つの形式であり、従来のボイラー・パワー・プラントと比べて効率を高め排出を低くするために導入されている。低ＢＴＵガス（たとえば高炉ガス（ＢＦＧ）およびコーク炉ガス（ＣＯＧ））は通常、製鋼所において銑鉄を製造する際に、溶鉱炉内でのコークス燃焼および鉄鉱石の溶融の副生成物として生成される。パワー・プラントのシナリオの場合には、低ＢＴＵガスを回収して、製鋼所で利用されるとともに公共の電力網に対して販売されるパワーを発生できるガス・タービン複合サイクル・パワー発生解決方法における燃料として用いる。
複合サイクル・パワー・プラントのプラント性能を高める。
本発明の一態様においては、低ＢＴＵ燃料による複合サイクル・パワー・プラントが提供される。複合サイクル・パワー・プラントは、副生排ガスを混合するガス混合ユニットを備える。ガス混合ユニットに結合された燃料ガス圧縮機によって、副生排ガスの混合物が加圧される。ガス・タービンが、燃料ガス圧縮機から出た副生排ガスの加圧混合物によって燃料供給される。ガス・タービンは、圧縮機と、圧縮機から出た空気と燃料ガス圧縮機から出た副生排ガスの加圧混合物とを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼器と、圧縮機から出た空気と燃料ガス圧縮機から出た副生排ガスの加圧混合物との燃焼から発生した高温ガスを膨張させるタービンとを備える。複合サイクル・パワー・プラントはさらに、副生排ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機から出た圧縮空気流のブリード・オフとを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼加熱ユニットを備える。副生排ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとを燃焼加熱ユニット内で燃焼させることによって、高温煙道ガスが生成される。複合サイクル・パワー・プラントはまた、燃料ガス圧縮機から出た副生排ガスの加圧混合物を、燃焼加熱ユニットから生成された高温煙道ガスを用いて、ガス・タービン燃焼器に入る前に加熱する性能加熱ユニットを備える。
本発明の別の態様においては、高炉ガス火力複合サイクル・パワー・プラントが提供される。本発明のこの態様においては、高炉ガス複合サイクル・パワー・プラントは、高炉ガスとコーク炉ガスとを混合するガス混合ユニットを備える。ガス混合ユニットに結合された燃料ガス圧縮機によって、高炉ガスとコーク炉ガスとの混合物が加圧される。ガス・タービンが、燃料ガス圧縮機から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物によって燃料供給される。ガス・タービンは、圧縮機と、圧縮機から出た空気と燃料ガス圧縮機から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物とを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼器と、圧縮機から出た空気と燃料ガス圧縮機から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物との燃焼から発生した高温ガスを膨張させるタービンと、を備える。高炉ガス複合サイクル・パワー・プラントはさらに、高炉ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機から出た圧縮空気流のブリード・オフとを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼加熱ユニットを備える。燃焼加熱ユニット内での高炉ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとの燃焼によって、高温煙道ガスが生成される。高炉ガス複合サイクル・パワー・プラントはまた、燃料ガス圧縮機から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物を、燃焼加熱ユニットから生成された高温煙道ガスを用いて、ガス・タービン燃焼器に入る前に加熱する性能加熱ユニットを備える。
本発明の第３の態様においては、高炉ガス複合サイクル・パワー・プラントにおいて用いる低ＢＴＵ燃料の温度を上昇させる方法が提供される。本発明のこの態様において、本方法は、高炉ガスとコーク炉ガスとを混合することと、高炉ガスとコーク炉ガスとの混合物を加圧することと、高炉ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機から出た圧縮空気流のブリード・オフとを燃焼加熱してそれらの燃焼を図ることと、高炉ガスとコーク炉ガスとの加圧混合物を、高炉ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとの燃焼から生成された高温煙道ガスを用いて、ガス・タービン燃焼器に供給する前に性能加熱することと、を含む。
図面を参照して、図１に、従来のＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント１００の概略図を示す。図１に示すように、ＢＦＧおよびＣＯＧを含む副生排ガスが、製鋼所１１０からガス混合ユニット１０５に供給される。図１には例示していないが、製鋼所１１０から放出された他の副生排ガス（たとえばリンツ・ドナビッツ・ガス（ＬＤＧ）およびＣＯＲＥＸガス）を、低ＢＴＵ燃料として用いることができる。一般的に、ガス混合ユニット１０５に供給されるＢＦＧの量は、ＣＯＧの量よりも著しく多い。たとえば、混合ユニット１０５は、約２５０ｐｐｓのＢＦＧと約１０ｐｐｓのＣＯＧとを製鋼所１１０から受け取っても良い。製鋼所１１０から供給されるＢＦＧおよびＣＯＧの両方の量は通常、圧力が低いため、ガス混合ユニット１０５によってもたらされるＢＦＧおよびＣＯＧの混合物は一般的に、約１５．５ｐｓｉａの低圧である。このガス混合物を、ガス・タービン燃焼器用の燃料として用いるためには、より高い圧力に高める必要がある。
遠心性の燃料ガス圧縮機１１５をＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント１００では用いて、ＢＦＧおよびＣＯＧのガス混合物の圧力を約３００ｐｓｉａまで高める。図１に示すように、燃料ガス圧縮機１１５は多段の燃料ガス圧縮機であり、この実施形態においては、第１の燃料ガス圧縮機（ＦＧＣ１）１２０と第２の燃料ガス圧縮機（ＦＧＣ２）１２５とを備えている。中間冷却ユニット１３０が、ＦＧＣ１１２０とＦＧＣ２１２５との間に、燃料ガス圧縮機１１５の効率を向上させるために配置されている。
燃料ガス圧縮機１１５から、このＢＦＧおよびＣＯＧのガス混合物が、ガス・タービン１３５に供給される。ガス・タービンは、空気を入口案内翼（ＩＧＶ）から引き出す圧縮機１４０と、圧縮機１４０から出た圧縮空気と燃料ガス圧縮機１１５から出た副生排ガスの加圧混合物とを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼器１４５と、圧縮機１４０から出た空気と燃料ガス圧縮機１１５から出た副生排ガスの加圧混合物との燃焼から発生した高温ガスを膨張させるタービン１５０と、を備える。図１に示すように、圧縮空気流のブリード・オフが圧縮機１４０から排出される。圧縮空気流のブリード・オフを、参照要素１５５によって示す。圧縮空気流のブリード・オフは、タービン１５０によって生じた排気生成物と混合するために供給される。排気生成物を、参照要素１６０によって示す。圧縮機１４０からタービン１５０の排気ガスへ送られるこの圧縮空気流のブリード・オフは、圧縮機オーバー・ボード・ブリード（ＯＢＢ）として知られており、圧縮機１４０におけるサージを防止するために行なわれる。
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１６５が、タービン１５０から出た排気生成物を受け取って、排気生成物からの廃熱の回収を図る。排気生成物から回収された熱をＨＲＳＧ１６５内で水／蒸気に伝えて、蒸気を生成することが図られる。蒸気は、蒸気タービン（例示せず）に供給されて、発電機（例示せず）の駆動が図られる。冷却されたガスが、ＨＲＳＧ１６５から大気中に、排気筒を介して排出される。当業者であれば分かるように、ＢＦＧ複合サイクル・パワー・プラント１００のこの部分は、他の構成要素（たとえば、凝縮器、送水管など）を有していても良いが、本発明の実施形態の説明を簡単にするために省いてある。同様に、当業者であれば分かるように、ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント１００のガス・タービン１３５に関する部分は、図示しない構成要素（たとえば、ガス・タービン発電機）を有していても良いが、本発明の実施形態の説明を簡単にするために、これらの構成要素は省いてある。
本明細書において明らかになるように、ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント１００の動作にはいくつかの欠点が付随している。たとえば、ＢＦＧおよびＣＯＧのガス混合物はＬＨＶが低いために、ガス・タービン１３５の燃焼器１４５において燃焼温度に到達するためには、途方もない量の燃料が必要である。多くの燃料を必要とする結果、燃料ガス圧縮機１１５は、この低ＬＨＶ燃料をより多く圧縮しなければならない。その結果として、燃料ガス圧縮機１１５による消費電力が大きくなり、正味の複合サイクル出力が減る。ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント１００の動作に付随する別の欠点は、ＯＢＢを用いる仕方にある。特に、本明細書では、圧縮機１４０からＯＢＢをタービン１５０の排気ガス１６０へ排出することによって、複合サイクル・パワー・プラント１００の全体的効率が下がることが分かっている。
図２は、前述の欠点が最適化されて効率およびパワー出力が向上したＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント２００の概略図である。図２の構成要素のうち図１で用いた構成要素と同様のものには、同様の参照要素があてがわれている。ただし図２で用いる参照要素は、数字の２が最初に来ている。図２は、図１と同様に、ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント２００のうち、その最適化に関する本明細書に記載の動作および実施形態を説明するのに必要な部分のみを示す。
図２に示すように、ＢＦＧガス・スプリッタ２７０が、製鋼所２１０から出たＢＦＧの一部を、ガス混合ユニット２０５におけるＣＯＧとの混合前に分流する。一実施形態においては、圧力が約１５．５ｐｓｉａで温度が約１０４°Ｆ（４０°Ｃ）の約２１．５ｐｐｓのＢＦＧが、ＢＦＧガス・スプリッタ２７０によって分流される。ＢＦＧの分流される部分を参照要素２７５によって示す。
燃焼加熱ユニット２８０が、ＢＦＧの分流部分と圧縮機２４０から排出されたＯＢＢ２５５とを受け取って、それらの燃焼を図る。燃焼加熱ユニット２８０において高温煙道ガスが生成される。高温煙道ガスを、参照要素２８５によって示す。性能加熱ユニット２９０が、高温煙道ガス２８５を用いて、燃料ガス圧縮機２１５から発生したＢＦＧおよびＣＯＧの加圧混合物を、それがガス・タービン２５５の燃焼器２４５内に入る前に加熱する。一実施形態においては、性能加熱ユニット２９０は、ＢＦＧおよびＣＯＧの加圧混合物の温度を、燃焼器２４５に供給される前に約２５０°Ｆ（１２１°Ｃ）だけ上昇させる熱交換器である。性能加熱ユニット２９５から出た排気ガス２９５は、ガス・タービン２５５のタービン２５０から出た排気ガス２６０と混合される。排気ガス２９５を、タービン２５０から出た排気ガス２６０と、一実施形態においてはＨＲＳＧ入口の前で混合させるが、当業者であれば分かるように、排気ガス２９５を、排気ガス２６０と混合させることなくＨＲＳＧ２６５の他の中間位置に供給することができる。
本明細書において示すように、図２の効率およびパワー出力は向上している。なぜならば、性能加熱ユニット２９０によって、ＢＦＧおよびＣＯＧの加圧混合物が、燃焼加熱ユニット２９０から出た高温煙道ガス２８５を用いて予熱されているからである。この特徴は、ガス・タービン２５５の燃焼器２４５において燃焼温度に到達するために燃料ガス圧縮機２１５を通す必要がある燃料が減少するということを意味する。その結果、燃料ガス圧縮機２１５による消費電力が少なくなり、ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント２００の正味の出力および正味の効率が増加することになる。また、燃料ガス圧縮機２１５に対する燃料流量の要求が軽減されているため、圧縮機２４０におけるサージ・マージンが緩和され、排出されるＯＢＢが減少するということになる（すなわち、約３０％だけ減少）。その結果、この特徴は、ＢＦＧ火力複合サイクル・パワー・プラント２００の全体的効率の向上にも寄与する。こうして、本明細書に含まれる考え方を実施することによって、約＋１．４４ｍＷの正味の複合サイクルの出力増加および約＋０．３７％の効率向上が得られる。
本開示を、その好ましい実施形態とともに詳細に図示し説明してきたが、当然のことながら、変形および修正が当業者には想起される。したがって、添付の請求項は、本開示の真の趣旨に含まれるすべての変更および変形に及ぶことが意図されていることを理解されたい。
Claims (10)
- 低ＢＴＵ燃料による複合サイクル・パワー・プラント（２００）であって、
副生排ガスを混合するガス混合ユニット（２０５）と、
ガス混合ユニット（２０５）に結合され、副生排ガスの混合物を加圧する燃料ガス圧縮機（２１５）と、
燃料ガス圧縮機（２１５）から出た、高炉ガス（ＢＦＧ）およびコーク炉ガス（ＣＯＧ）を含む副生排ガスの加圧混合物によって燃料供給されるガス・タービン（２３５）であって、圧縮機（２４０）と、圧縮機（２４０）から出た空気と燃料ガス圧縮機（２１５）から出た副生排ガスの加圧混合物とを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼器（２４５）と、圧縮機（２４０）から出た空気と燃料ガス圧縮機（２１５）から出た副生排ガスの加圧混合物との燃焼から発生した高温ガスを膨張させるタービン（２５０）と、を備えるガス・タービン（２３５）と、
副生排ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機（２４０）から出た圧縮空気流のブリード・オフとを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼加熱ユニット（２８０）であって、燃焼加熱ユニット（２８０）内での副生排ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとの燃焼によって、高温煙道ガス（２８５）が生成される燃焼加熱ユニット（２８０）と、
燃料ガス圧縮機（２１５）から出た副生排ガスの加圧混合物を、燃焼加熱ユニット（２８０）から生成された高温煙道ガス（２８５）を用いて、ガス・タービン燃焼器（２４５）に入る前に加熱する性能加熱ユニット（２９０）と、を備え、
前記燃焼加熱ユニット（２８０）によって受け取られる前記副生排ガスの分流部分は高炉ガスの一部を含み、
前記性能加熱ユニット（２９０）から出た排気ガスが、前記ガス・タービン（２５０）から出た排気ガスと混合される、
低ＢＴＵ燃料による複合サイクル・パワー・プラント（２００）。 - 前記燃料ガス圧縮機（２１５）は、多段の燃料ガス圧縮機であって、各段の間に少なくとも１つの中間冷却ユニット（２３０）が配置された多段の燃料ガス圧縮機を備える請求項１に記載の複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- 前記性能加熱ユニット（２９０）は熱交換器を含む請求項１に記載の複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- 前記ガス・タービン（２５０）から排気ガスを受ける熱回収蒸気発生器（１６５）を含む請求項１に記載の複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- 高炉ガス火力複合サイクル・パワー・プラント（２００）であって、
高炉ガスとコーク炉ガスとを混合するガス混合ユニット（２０５）と、
ガス混合ユニット（２０５）に結合され、高炉ガスとコーク炉ガスとの混合物を加圧する燃料ガス圧縮機（２１５）と、
燃料ガス圧縮機（２１５）から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物によって燃料供給されるガス・タービン（２３５）であって、圧縮機（２４０）と、圧縮機（２４０）から出た空気と燃料ガス圧縮機（２１５）から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物とを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼器（２４５）と、圧縮機（２４０）から出た空気と燃料ガス圧縮機（２１５）から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物との燃焼から発生した高温ガスを膨張させるタービン（２５０）と、を備えるガス・タービン（２３５）と、
高炉ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機（２４０）から出た圧縮空気流のブリード・オフとを受け取ってそれらの燃焼を図る燃焼加熱ユニット（２８０）であって、燃焼加熱ユニット（２８０）内での高炉ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとの燃焼によって高温煙道ガス（２８５）が生成される燃焼加熱ユニット（２８０）と、
燃料ガス圧縮機（２１５）から出た高炉ガスおよびコーク炉ガスの加圧混合物を、燃焼加熱ユニット（２８０）から生成された高温煙道ガス（２８５）を用いて、ガス・タービン燃焼器（２４５）に入る前に加熱する性能加熱ユニット（２９０）と、を備え、
前記性能加熱ユニット（２９０）から出た排気ガスが、前記タービン（２５０）から出た排気ガスと混合される、高炉ガス火力複合サイクル・パワー・プラント（２００）。 - 燃料ガス圧縮機（２１５）は、多段の燃料ガス圧縮機（２２０および２２５）であって、各段の間に少なくとも１つの中間冷却ユニット（２３０）が配置された多段の燃料ガス圧縮機を備える請求項５に記載の高炉ガス複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- 前記性能加熱ユニット（２９０）は熱交換器を含む請求項５に記載の複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- ガス・タービン（２５０）から出た排気ガスを受け取る熱回収蒸気発生器（２６５）をさらに備える請求項５に記載の高炉ガス複合サイクル・パワー・プラント（２００）。
- 高炉ガス複合サイクル・パワー・プラント（２００）において用いる低ＢＴＵ燃料の温度を上昇させる方法であって、
高炉ガスとコーク炉ガスとを混合することと、
高炉ガスとコーク炉ガスとの混合物を加圧することと、
高炉ガスの分流部分とガス・タービン圧縮機（２４０）から出た圧縮空気流のブリード・オフとを燃焼加熱してそれらの燃焼を図ることと、
高炉ガスとコーク炉ガスとの加圧混合物を、高炉ガスの分流部分と圧縮空気流のブリード・オフとの燃焼から生成された高温煙道ガス（２８５）を用いて、ガス・タービン燃焼器（２４５）に供給する前に性能加熱することと、
前記性能加熱ユニット（２９０）から出た排気ガスを、前記タービン（２５０）から出た排気ガスと混合することと、
を含む方法。 - 前記ガス・タービン（２５０）から出た排気ガスを熱回収蒸気発生器（２６５）に供給することをさらに備える請求項９に記載の方法。
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