JP5972130B2 - 高湿分空気利用ガスタービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼用空気として用いてガスタービンを運転し発電する高湿分空気利用ガスタービンシステムに係り、特にガスタービン駆動後の燃焼排ガスから水分を回収して燃焼用空気の加湿に再利用する高湿分空気利用ガスタービンシステムに関する。

高湿分空気利用ガスタービンシステムは、燃焼用圧縮空気に水分を添加し、ガスタービンシステムの発電効率を向上させるものとして広く知られている。ここで用いられる水分は高純度水である。ガスタービンシステムを長時間連続運転することを想定すると、この間に使用する大量の高純度水を予め確保しておく必要があるが、そのために要する設備、費用は無視できないものがある。そこで、ガスタービン駆動後の燃焼排ガスから水分を回収して、回収水をガスタービン（燃焼用圧縮空気）へ添加する水分として再度使用する高湿分空気利用ガスタービンシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

このような高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、燃焼排ガスから回収された回収水には燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物，硫黄酸化物，炭酸ガス，酸素が溶解し、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ため、回収水をガスタービン（燃焼用圧縮空気）に供給する前に脱炭酸塔，イオン交換樹脂等の水質浄化装置を設置して水中のガス及び不純物を除去して、回収水を再利用するようにしている。

特開2010-255456号公報

本発明者等の検討によれば、特許文献１に記載のように、水質浄化装置を設置して回収水中のガス及び不純物を除去して、回収水を再利用するシステムでは、システムの連続運転により回収水の水質が悪化するため、脱塩装置に対する負荷が高まり、脱塩装置の頻繁な再生化が必要となる。このため、脱塩装置再生化のための再生液、及び洗浄液の使用量が増加し、ランニングコストが増大することが懸念される。

本発明の目的は、燃焼排ガスから水分を回収して再利用する高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、回収水の浄化にかかるランニングコストの低減が可能な高湿分空気利用ガスタービンシステムを提供することにある。

本発明は、高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、燃焼排ガスからの回収水を、脱塩装置を含む水質浄化装置で不純物除去するに際して、水質浄化装置の前段において回収水を蒸留処理し、蒸留水を水質浄化装置に供給をすることを特徴とする。

本発明によれば、回収水の脱塩処理前に蒸留処理を行うことにより、脱塩装置にかかる負荷を低減することが可能となる。このことにより、脱塩装置の再生化頻度が低減され、脱塩装置再生化のための再生液、及び洗浄液の使用量を削減することができるため、ランニングコストの低減を図ることができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例の基本構成を示すガスタービン設備の系統図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本実施例の高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統図を示す。図において、細い線は気体の流れ若しくは気体がながれる配管などを示し、太い線は水の流れ若しくは水が流れる配管などを示す。

本実施例における高湿分空気利用ガスタービンシステムは、圧縮機２、圧縮空気に湿分を加える増湿塔７、加湿した圧縮空気を加熱する再生熱交換器６、再生熱交換器からの高湿分空気を燃焼用空気として燃料を燃焼させる燃焼器４、タービン３、ガスタービン排ガスから水分を回収する水回収装置１２などから構成される。高湿分空気利用ガスタービンシステムとしては、他にも多くの機器が用いられており、これらについては以下の詳細説明において順次説明する。

空気は、配管７５、空気浄化用のフィルタ１、配管７４を介して圧縮機２に送られ圧縮される。圧縮空気は圧縮過程で高温化している。圧縮空気は、後段の増湿塔７での増湿作用を高効率で行うため、配管７２に設けた空気冷却器１０において水との熱交換により冷やされて増湿塔７に入る。

増湿塔７は、内部に圧縮空気と水との接触面積を増やすための充填剤８、上部に水の噴霧ノズル３５を備え、増湿塔７の下部には増湿塔循環水１０１が貯留されている。空気冷却器１０からの圧縮空気は増湿塔７で充填材８を通過しながら増湿される。増湿後の高湿分圧縮空気は配管７１を通して再生熱交換器６に送られて加熱される。再生熱交換器６を出た高湿分圧縮空気は、配管７３を通して燃焼器４に送られる。燃焼器４において燃料Ｆと高湿分圧縮空気を混合して燃焼させて燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスによりタービン３を駆動し、発電機（図示省略）を回転させる。

高温で水分を含んだ排ガス５は、まだ十分な熱量を保有しているため再生熱交換器６、エコノマイザ１１で順次熱交換により保有熱量を圧縮空気や水に回収しながら冷却される。その後、水分を含んだ排ガス５は、後述の蒸留装置１０４で熱交換した後、水回収装置１２に送られて水分が回収され、残りのガス成分はそのまま煙突１３から大気に放出される。

次に、燃焼排ガスから回収された回収水を利用する水系統について説明する。水回収装置１２は、配管６９を介して噴霧ノズル３４から排ガス５に冷却器１４で冷却された回収水１００を噴霧して排ガス５から水分を回収する。ここで、水回収の基本原理は燃焼排ガスの温度を急速に低下させることにより水分を凝縮させ、噴霧水と結合することで水分を回収するというものであるが、上記の設備以外にも水回収を行いうることはいうまでもない。回収水１００は、次に述べる水処理を行い、増湿塔７に送られ、増湿塔循環水１０１として補給される。水回収装置１２における回収水１００の保有量が低下した場合は、バルブ５１を開き配管７６を通して外部から水を補給する。

回収水１００は、ポンプ４０により配管６８から逆止弁９０、バルブ５４を経由して蒸留装置１０４に通水される。蒸留装置１０４では、回収水は、ガスタービン排ガスの熱を利用して蒸留処理され、不溶解性成分である懸濁物質や微量金属物質が除去され、その後、コンデンサ１０５にて凝縮し、蒸留水回収タンク１０６に供給される。

なお、従来、ガスタービンの燃焼用空気への加湿水として海水を蒸留して用いることが提案されているが（例えば特開2007-198201号公報）、このようなシステムでは、水質浄化装置の主たる構成要素は蒸留装置であり、蒸留装置でガスタービンに供給できる純度まで精製するものである。即ち、従来は、ガスタービンへの供給水の水質浄化装置としては、脱塩処理を含む浄化装置か、蒸留装置かの何れかであり、両者を効果的に組み合わせて用いることは検討されていない。本発明では、水質浄化装置の主たる構成要素である脱塩装置の前段処理として蒸留装置を設けるものであり、本実施例における蒸留装置には、海水淡水化のような高精製は要求されない。

このようなことから、本実施例における、蒸留装置１０４とコンデンサ１０５からなる蒸留システムには、所謂、単蒸留方式が用いられている。単蒸留は、一般的に、比較的少量の低沸点成分の濃度を高めるために用いられ、精製度合いも高くはない。しかし、上述したように、本実施例の蒸留処理は、水質浄化装置の主たる構成要素である脱塩装置の前段処理であり、高精製である必要はない。そして、本実施例では、加熱手段としてガスタービン燃焼排ガスの排熱を有効利用して回収水を効率的に蒸発させ、蒸留処理することができる。もちろん、蒸留装置としては他の蒸留原理の装置を用いることもできる。

蒸留水回収タンク１０６内の回収水は、蒸留水供給ポンプ１０７、バルブ５６、バルブ４５を経由して脱塩装置を含む水質浄化装置へ通水される。

蒸留水供給ポンプ１０７は、脱塩装置に最適な供給圧を安定的に与える。また、蒸留水回収タンク１０６は、蒸留速度の変動の吸収、及び蒸留水供給ポンプのNPSH（Net Positive Suction Head）を確保するため、コンデンサ１０５と蒸留水供給ポンプ１０７の間に設置されている。

また、本実施例では、蒸留水回収タンク１０６は密閉可能なタンクで構成されている。また、タンク内のヘッドスペースを窒素置換できるように窒素供給装置（図示省略）が設けられている。これは、大気中に含まれる酸素、及び微量のCO2成分が蒸留処理後の回収水中に溶解し、循環水系統配管の腐食が進行することを防止するためである。

本実施例では、水質浄化装置は、カチオン樹脂塔３１、脱炭酸塔３２、アニオン樹脂塔３３から構成されている。カチオン樹脂塔３１に通水しイオン交換してpHを低くし、脱炭酸塔３２で炭酸ガスを除去し、アニオン樹脂塔３３に通水することで溶解性成分である塩類を除去し、純水にする。純水となった回収水１００を配管６７から増湿塔７へ増湿塔循環水１０１として補給する。

増湿塔７には、配管７０により増湿塔循環水の循環経路が形成されている。配管７０にはポンプ４１、熱交換器９、噴霧ノズル３５が取り付けられている。増湿塔循環水１０１は、噴霧ノズル３５から増湿塔７内に噴霧され圧縮空気を増湿する。

なお、増湿塔７に配管６７を経由して供給される水は回収水１００の浄化水であり、窒素酸化物NOx等の不純物は除外されているはずであるが、長年の使用により増湿塔循環水１０１に不純物が濃縮した場合は、バルブ５４、５６を閉じた後、バルブ４６、５５を開き、ポンプ４１から送られた水の一部を配管６６から配管６７に合流させ、配管６７、６６による循環系統を構成し、水質浄化装置の脱塩処理のみにより水を浄化する。

この増湿塔循環水１０１の浄化処理において、配管６８側に循環水が逆流することを阻止すべく、逆止弁９０は設置されている。

また、バルブ４６、５４、５５、５６の上述した開閉動作は、電気伝導度センサ（図示省略）により増湿塔循環水１０１の電気伝導度を測定し、水の汚れを検知したときに実施される。

ポンプ４１は、ガスタービンシステムが基底負荷運転を行っている間は、循環流量一定とすべく制御される。

以上のことから明らかなように、本実施例では、回収水を利用する水系統は、水回収装置１２、ポンプ４０、蒸留装置１０４、コンデンサ１０５、蒸留水回収タンク１０６、蒸留水供給ポンプ１０７、カチオン樹脂塔３１、脱炭酸塔３２、アニオン樹脂塔３３、増湿塔７、ポンプ４１等で構成される。

次に熱交換器９に熱を供給する熱回収用水系統について説明する。本実施例では、熱回収用水系統を流れる水が、上述の回収水を利用する水系統を流れる水と直接交わらないように構成している。即ち、不純物混入の可能性がある回収水を利用する水系統と、熱回収用水系統とが直接交わることがなく、唯一熱交換器９にて流体的には隔離された状態のまま熱交換のみを行うようにして、熱回収用水系統を構成する配管として安価な低耐食材の炭素鋼あるいは低合金鋼を使用することを可能としている。

熱交換器９に熱を供給する側の循環水は２系統に分岐して熱を回収する。一方は配管６２を通りポンプ４２で加圧されバルブ５０で流量を調節しながら配管６０を通してエコノマイザ１１に送られて加熱され配管６１から熱交換器９に戻る。もう一方は、配管６２を通りポンプ４２で加圧されバルブ４９で流量を調節しながら配管６４を通して空気冷却器１０に送られて加熱され、配管６５を通り配管６１に合流し熱交換器９に戻る。

エコノマイザ１１及び空気冷却器１０を循環する水は、それぞれ排ガス、圧縮空気と熱交換を行ってその保有熱量を吸収する結果として、常温から200℃程度まで上昇し体積も温度とともに膨張する。この体積変化に対応するため、循環水の圧力がある設定値よりも上昇した場合に配管６３に接続されたスプリング付逆止弁５９により圧力を循環水補給タンク３０内へ放出して圧力を制御する。逆に、温度低下により体積が縮小して負圧となる場合は、配管６３に接続された逆止弁５８により不足分を循環水補給水タンク３０内の循環水補給水１０２を配管６２へ供給する。

熱回収用水系統を流れる循環水には、炭素鋼などの耐食性の低い材料に対しても腐食を完全に抑制することができるようにするため腐食抑制剤を添加している。炭素鋼などの耐食性の低い材料への変更によりオーステナイトステンレス鋼で懸念されている応力腐食割れの発生を回避することができる。

また、熱回収用水系統内の流量を制御するバルブ４９，５０の開度は、熱回収用水系統内の水を飽和蒸気圧温度よりも低くするように水量を確保すべく制御される。

このように熱回収用水系統は、熱交換器９、空気冷却器１０、エコノマイザ１１、ポンプ４２、バルブ４９,５０等から構成される。

本実施例では、燃焼排ガスからの回収水の水質浄化処理を行う脱塩装置の前段に、蒸留装置１０４、コンデンサ１０５、蒸留水回収タンク１０６、蒸留水供給ポンプ１０７からなる脱塩前段処理プロセスを導入したことにより、脱塩装置にかかる負荷を低減することができる。よって、脱塩装置に対する負荷が下がることで、脱塩装置の再生化頻度を低減することができ、ランニングコストの削減を実現することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

2…圧縮機 3…タービン 4…燃焼器 5…排ガス 6…再生熱交換器 7…増湿塔 9…熱交換器 10…空気冷却器 11…エコノマイザ 12…水回収装置 31…カチオン樹脂塔 32…脱炭酸塔 33…アニオン樹脂塔 100…回収水 101…増湿塔循環水 104…蒸留装置 105…コンデンサ 106…蒸留水回収タンク

Claims (7)

1. 圧縮機、燃焼器、タービン、前記圧縮機からの圧縮空気に湿分を加える増湿塔、前記増湿塔からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとを熱交換する再生熱交換器を備え、前記再生熱交換器からの圧縮空気を燃焼用空気とする高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記排ガスから水分を回収する水回収装置と、前記水回収装置で回収された回収水を脱塩処理する水質浄化装置とを備え、
   前記水質浄化装置で浄化された回収水を前記増湿塔に供給するように構成した高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記水質浄化装置の前段処理として前記水回収装置で回収された回収水を蒸留処理する蒸留システムを備え、前記蒸留システムで蒸留処理された回収水を前記水質浄化装置に供給をするように構成したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留システムは単蒸留方式であることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
3. 請求項１または２に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留システムは前記排ガスを熱源としたものであることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
4. 請求項３に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留システムは、前記排ガスを熱源とした蒸留装置と、前記蒸留装置からの蒸気を凝縮させるコンデンサを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
5. 請求項４に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留システムは、前記コンデンサで凝縮した水を前記水質浄化装置へ供給する蒸留水供給ポンプを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
6. 請求項５に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留システムは、前記コンデンサと前記蒸留水供給ポンプとの間に前記コンデンサで凝縮した水を収容する蒸留水回収タンクを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
7. 請求項６に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸留水回収タンクは、密閉性を有するタンクであり、且つ前記タンク内のヘッドスペースを窒素置換できるように構成されていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。

Images