KR100847972B1 - 가스 개질 설비 - Google Patents
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Abstract
저칼로리 가스를 안정된 가스 터빈용 연료로서 개질할 수 있다. 천연 가스(NG) 공급 라인(7) 및 공기 공급 라인(8)을 구비하고, NG 가스와 공기를 혼합시켜, 이 혼합 기체를 화학 반응시켜서 개질하는 것에 의해 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 제조하기 위한 반응용기를 구비하는 개질 가스 제조 장치(3)와, 저칼로리 가스와 상기 개질 가스 제조 장치(3)로부터 공급되는 개질 가스를 혼합하여 가스 터빈 설비(1)에 연료 가스로서 공급하기 위한 혼합 조정 장치(5)와, 상기 개질 가스 제조 장치(3)로부터 상기 혼합 조정 장치(5)로 개질 가스를 공급하기 위한 개질 가스 공급 통로(4)와, 상기 혼합 조정 장치(5)로부터 가스 터빈 설비(1)에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로(2)와, 상기 개질 가스 제조 장치(3) 및 혼합 조정 장치(5)의 동작을 제어하기 위한 제어 장치(10)를 구비하고 있다.
가스, 개질, 터빈, 연료, 혼합, 공기, 증기, 천연 가스
Description
본 발명은 가스 개질 설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 저칼로리 가스(예를 들면, 용광로 가스(BFG) 및 그 밖의 제철 프로세스 부생(副生) 가스이다)를 가스 터빈의 연료로서 사용할 때에, 계속적인 안정 연소를 가능케 하기 위해, 상기 저칼로리 가스에 개질 가스를 부가 혼입하는 것에 의해서 연료 가스의 가스 성분 또는 가스 칼로리의 조정을 행하는 가스 개질 설비에 관한 것이다.
종래, 저칼로리 가스의 활용 예로서, 예를 들면 제철 분야에서 BFG 등의 부생 가스를 가스 터빈의 연료로 이용하는 것에 의해 발전 등을 행하는 사례가 증가하고 있다. 한편, 용광로 내의 에너지 효율이 향상되고 있기 때문에, 프로세스 배기가스로서의 BFG의 발열량은 해가 갈수록 낮아지고 있다. 이러한 저칼로리의 용광로 가스를 연료로 한 경우는 가스 터빈의 실화(失火)가 생기기 쉽고, 실화한 경우에는 가스 터빈은 긴급 정지한다. 또, 수소 함유량이 적은 BFG의 경우는 착화보염성(着火保炎性)이 나쁘기 때문에 실화 상태가 되기 쉽다. 또한, 상기 저칼로리 가스에는 그의 특성, 발열량, 발생량 등이 변동하는 것도 있다.
이러한 문제를 해소하고자 저칼로리인 BFG에 코크스 로(爐) 가스(COG 라고도 말한다)나 천연 가스(NG 라고도 말한다)를 혼합하는 것에 의해 발열량이나 가스량 그 자체를 증대하여 연소시키는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
COG를 사용하는 이유는, COG가 중(中) 칼로리 가스이고, 저칼로리 가스와의 칼로리 차(差)가 적기 때문에 혼합하기 쉬운 것과, COG의 주성분이 수소이기 때문에 저칼로리 가스 중의 수소 함유량을 증가시키는 것에 의해 착화보염성을 좋게 할 수 있기 때문이다.
그렇지만, COG는 어디에서나 용이하게 입수할 수 있는 가스가 아니다. 또, COG에는 암모니아, 시안화수소 등이 많이 포함되어 있고, 연소에 의해서 유해한 질소산화물이 다량으로 발생한다. 또, COG에 포함되는 질소산화물과 부타디엔·사이클로펜타디엔(butadiene· cyclopentadiene) 등의 불포화 탄화수소가 중합 반응하여 고분자의 검상(gum 狀) 물질(NO-Gum 이라고도 불린다)이 생성되고, 이에 따라 연료 제어 밸브나 가스 터빈 노즐 등에 이상이 생길 가능성이 있다. 이러한 문제를 해소하는데에는 대규모적인 COG의 전처리(前處理) 설비(암모니아 및 시안화수소의 제거, 수소 첨가를 위한 장치)가 필요하게 된다. 또, COG는 황화수소(H2S)도 많이 포함하기 때문에, 연소 후의 배기가스 중의 이산화황의 농도를 감소시키기 위한 탈황 장치가 필요한 경우도 있다. 이로 인해, 설비 비용이 대폭적으로 상승하고, 게다가 그의 보수 부하가 증대한다.
한편, NG를 혼합하는 경우, 일반적인 NG는 수소를 포함하지 않기 때문에, COG를 혼합하는 경우와 비교하여 연료 가스를 연소 안정성 유지를 위해 고칼로리로 하지 않을 수 없다. 그 결과, 연소 시에 이른바 '유해한 thermal NO'를 증가시킨다. 또, NG가 함유하는 가연성 성분은 메탄을 주로 하는 탄화수소가 대부분이고, 그것을 저칼로리 가스에 혼합하면 저칼로리 가스의 조성이 크게 변화할 우려가 있다. 또, 천연 가스는 고칼로리 가스(약 40MJ/㎥N )이고, 저칼로리 가스의 칼로리(약 12MJ/㎥N 이하)와는 큰 차이가 있다. 이 때문에, NG의 증열(增熱) 효과가 뚜렷하기 때문에, 증열 시의 저칼로리 가스와 천연 가스와의 혼합비를 작게 하지 않을 수 없고, 그 결과, 가스 혼합성의 확보가 곤란해진다. 그의 '한결같지 않음(不一樣性)'의 편차가 큰 경우, 그 영향은 가스 터빈에서의 연소 시에 나타나고, 연소 온도의 불균일이 생긴다. 이 불균일이 심한 경우에는 가스 터빈의 연소기(燃燒器)나 터빈부를 손상시킨다.
특허문헌 1: 일본 특개2002-155762호 공보
특허문헌 2: 일본 특개평9-317499호 공보
본 발명자들은, BFG 등의 저칼로리 가스를 연료 가스로서 안정적으로 연소시키기에는, 저칼로리 가스에 고칼로리 가스를 혼합하여 이 혼합 가스의 발열량을 증가시키는 것에 의해서 안정 연소를 확보한다고 하는 일의적인 방법이 아니라, 동시에 저칼로리 가스 중의 수소 함유량을 안정 연소에 필요한 수준(level)까지 증가시키는 것이 유효하다는 것에 착안하였다. 수소 가스는 착화보염성이 좋아, 이 성질을 유효하게 이용할 수 있기 때문이다.
또, 본 발명자들은, 저칼로리 가스의 연소 장치로의 공급량이 감소하고, 예를 들면, 연소 장치의 일종인 가스 터빈의 출력을 낮추지 않을 수 없는 경우나, 가스 터빈의 부분 부하 운전을 포함하는 안정 운전이 곤란한 상태가 되는 경우, 개질 가스 제조 설비에 의해 중칼로리 가스(발열량이 약 20MJ/㎥N 정도의 가스)를 별도로 발생시켜서 저칼로리 가스에 혼합하는 것에 의해 저칼로리 가스를 증열하는 것을 실현하여, 가스 터빈의 운전을 계속할 수 있는 것에 착안하였다. 이것은, 저칼로리 가스의 증열에 천연 가스와 같은 고칼로리 가스를 이용했을 경우, 저칼로리 가스에 대한 고칼로리 가스의 혼합비가 작기 때문에 한결같은 가스 혼합성의 확보가 곤란해지는 반면, 중칼로리 가스의 경우에는 그 혼합비를 크게 할 수 있는 것, 혼합하는 2종류 가스의 칼로리 차이가 작기 때문에 한결같은 가스 혼합성의 확보가 용이해지는 것, 또한, 착화보염성이 좋은 수소 가스량도 혼합 후에 증가하는 것 때문이다.
본 발명은 이러한 경위로부터 이루어진 것으로, 특성이 안정적인 저칼로리 가스를 가스 터빈의 연료 가스로서 이용하는 경우, 이것에 개질 가스를 더하는 것에 의해 저칼로리 가스 특성을 개질하여 특성이 안정적인 연료 가스로 하고, 연소 안정성을 실현하기 위한 가스 개질 설비(가스 특성 개선 설비)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 위해 본 발명의 가스 개질 설비는,
천연 가스 공급 라인 및 공기 공급 라인을 구비하고, 천연 가스와 공기를 혼합시켜, 이 혼합 기체를 화학 반응시켜서 개질하는 것에 의해 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 제조하기 위한 반응용기를 구비하는 개질 가스 제조 장치와,
저칼로리 가스와 상기 개질 가스 제조 장치로부터 공급되는 개질 가스를 혼합하여 가스 터빈 설비에 연료 가스로서 공급하기 위한 혼합 조정 장치와,
상기 개질 가스 제조 장치로부터 상기 혼합 조정 장치로 개질 가스를 공급하기 위한 개질 가스 공급 통로와,
상기 혼합 조정 장치로부터 가스 터빈 설비에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로와,
상기 개질 가스 제조 장치 및 혼합 조정 장치의 동작을 제어하기 위한 제어 장치를 구비하고 있다.
저칼로리 가스란, 예를 들면 용광로 가스(BFG), 직접 환원 제철법이나 용융 환원 제철법에 의해서 발생하는 부생 가스, 코크스 로(Cokes 爐) 가스(COG), 전로(轉爐) 가스(LDG), 석탄층에 포함되는 석탄층 가스(Coal Mine Gas이고, CMG로 표시한다), GTL(Gas To Liquids) 프로세스에서 발생하는 테일 가스(Tail gas), 오일 샌드(Oil sand)로부터 오일 정제 프로세스에 수반하여 발생하는 부생 가스, 플라스마를 이용한 쓰레기 소각에 의해서 발생하는 가스, 생활 쓰레기를 포함하는 일반폐기물이 그의 매립지에서 발효, 분해하는 과정에서 생기는 메탄가스(Landfill gas), 및 그 밖의 유사한 고열에 의해서 원료를 열화학 반응시키는 것에 수반하여 발생하는 부생 가스 등의 저칼로리 가스를 포함한다. 즉, BFG와 COG의 혼합 가스로서 이용하도록, 상기 가스를 단독은 물론, 2종류 이상의 가스를 적절하게 혼합시켜서 사용하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 천연 가스는 액화 천연 가스도 포함하고 있다.
또, 상기 개질 가스 제조 장치가, 증기(이하, 단순히 증기라고 한다) 공급 라인을 더 구비하고, 천연 가스와 공기의 혼합 기체에 증기를 더욱 가(加)해서 화학 반응시키는 것에 의해 개질하여 얻어지는 개질 가스를 상기 혼합 조정 장치에 공급할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 증기의 혼합에 의해서 개질 가스의 수소 농도가 더욱 상승하기 때문이다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 연료 가스 수소 농도 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 연료 가스 수소 농도 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 수소 농도를 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 제조 장치가 증기 공급 라인을 구비하는 것에 있어서, 상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 수소 농도 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 수소 농도를 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다. 증기의 혼합에 의해서 개질 가스의 수소 농도의 조정 폭이 넓어지기 때문이다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 수소 농도 검출기와,
상기 혼합 조정 장치 내에 설치된, 연료 가스를 희석용 가스에 의해서 희석하기 위한 희석 가스 공급 장치를 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여 연료 가스에 대하여 희석 가스 공급 장치로부터 희석 가스를 혼합하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 수소 농도 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기의 혼합비를 변경하는 것에 의해 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 제조 장치가 증기 공급 라인을 구비하는 것에 있어서, 상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 수소 농도 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 발열량 계측 수단을 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 발열량 계측 수단을 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기와의 혼합비를 변경하는 것에 의해 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 제조 장치가 증기 공급 라인을 구비하는 것에 있어서, 상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 발열량 계측 수단을 더 구비하고,
상기 제어 장치가, 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에 있어서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 연료 가스 공급 통로에 설치되는 통로의 내압을 계측하는 압력 계측 수단을 더 구비하고,
상기 제어 장치가, 상기 압력 계측 수단의 계측 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스 발열량 계측 수단과,
상기 혼합 조정 장치 내에 설치된, 연료 가스를 희석용 가스에 의해서 희석하기 위한 희석 가스 공급 장치를 더 구비하고,
상기 제어 장치가 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여 연료 가스에 대하여 희석 가스 공급 장치로부터 희석 가스를 혼합하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 반응용기에 있어서의 화학 반응의 촉진을 위해, 가스 터빈 설비로부터 가열용의 증기를 공급하기 위한 가열용 증기 공급 라인을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 반응용기에 있어서의 화학 반응의 촉진을 위한 가열용으로, 상기 가열용 증기 공급 라인에 더하여, 가스 터빈 설비로부터 고온 압축 공기를 취출하여 반응용기에 공급하는 추기(抽氣) 라인을 더 구비하고, 증기와 고온 추기를 선택적으로 공급할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 반응용기에 있어서의 화학 반응을 개시한 시점에서, 아직 해당 설비 내에서 증기가 발생하지 않는 과도적 상태이기 때문에 반응을 가속시키는데 필요한 열원을 얻을 수 있기 때문이다.
상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 개질 가스 공급 통로에 열 교환 수단을 구비하고 있고, 이 열 교환 수단이, 반응용기로 공급되는 천연 가스 및 공기의 혼합 기체와 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스와의 열 교환을 행하도록 구성되는 것이 바람직하다. 고온화된 개질 가스를 적당한 온도로 냉각할 수 있음과 동시에, 반응에 앞서 혼합 기체를 예열할 수 있기 때문이다.
상기 개질 가스 공급 통로가, 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스를 냉각하기 위한 냉각 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 냉각 수단이, 개질 가스 공급 통로에 있어서의 상기 열 교환 수단의 하류측에 설치되어, 개질 가스 중의 액체를 응축하여 제거하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 개질 가스 공급 통로에 버퍼 탱크(Buffer tank)가 설치되고, 이 버퍼 탱크가 개질 가스 유량의 변동을 흡수하는 것에 의해, 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 압력이 안정되도록 구성되는 것이 바람직하다. 혼합 조정 장치에 있어서 저칼로리 가스에 대한 개질 가스 균일한 혼합이 가능해지기 때문이다.
본 발명에 의하면, 불순물이 거의 없는 NG를 개질하여 수소 가스를 나타나게 하여, 이 수소 가스를 함유하는 깨끗한 개질 가스를 BFG 등의 저칼로리 가스의 특성을 개질하는 가스로서 이용할 수가 있다. 그 결과, 저칼로리 가스의 수소 가스 함유율을 안정화시키는 등, 저칼로리 가스를 안정된 연료로 할 수가 있다.
또, 저칼로리 가스의 공급량이 감소한 경우에도, 저칼로리 가스와의 혼합성이 좋으면서도 착화보염성이 좋은 수소 가스를 함유하는 개질 가스에 의해서 저칼로리 가스를 증열(增熱)하는 것에 의해, 설비의 운전을 안정적으로 계속할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 가스 개질 설비의 개략을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 설비에 있어서의 개질 가스 제조 장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 설비에 있어서의 가스 터빈 발전 설비에 공급하는 연료 가스 공급 라인의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1의 설비에 있어서의 가스 터빈 발전 설비의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 5는 성분이 CH4 뿐이라고 가정한 NG에 대한 공기의 혼합비율에 대한, 해당 혼합 가스의 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 성분이 CH4 뿐이라고 가정한 NG에 대한 공기의 혼합비율에 대한, 개질 처리 후의 해당 가스의 주 연소성분의 용적 비율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 2의 개질 가스 제조 장치에 있어서의 'A' 부분의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 2의 개질 가스 제조 장치에 있어서의 'A' 부분의 또 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 1의 설비에 있어서의 가스 터빈 발전 설비 및 이 발전 설비에 공급하는 연료 가스의 공급 라인의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 가스 터빈 발전 설비 2: 연료 가스 공급 배관
3: 개질 가스 제조 장치 4: 개질 가스 공급 배관
5: 혼합 조정 장치 6: 부대설비
7: NG 공급 배관 8: 공기 공급 배관
9: 가열용 증기 공급 배관 10: 제어 장치
11: 제1 혼합기 12: 촉매 반응용기
13: 열 교환기
14: 미스트 세퍼레이터(mist separator)
15: 필터 16: 승압 팬(fan)
16a: 바이패스 배관 17: 혼합 기체 공급 배관
18: 제2 혼합기 19: 냉각기
20: 버퍼 탱크 21: H2 농도계
22: O2 농도계 23: CO 농도계
24: CH4 농도계 25: 바이패스 배관
26: BFG 공급 배관 27: 버퍼 탱크
28: CO 농도계 29: H2 농도계
30: 희석 장치 31: 희석 가스 공급 배관
32: 제진기 33: H2 농도계
34: 칼로리미터(가스 분석기) 35: 연료 압축기
36: 가스 터빈 37: 연소기
38: 발전기 39: 바이패스 배관
40: 냉각기 41: 배열 회수 보일러
42: 증기 터빈 43: 굴뚝
44: 발전기 45: 증기 공급관
51∼58: 유량 조절 밸브 61∼66: 압력계
71∼76: 유량계 81∼89: 온도계
91: 증기 배관 92: 추기 배관
93: 유량 조절 밸브 94: 제3 혼합기
95: 승압 압축기 96: 바이패스 배관
97: 공기 냉각기 98: 유량 조절 밸브
99: 공기 압축기 100: 바이패스 배관
101: 공기 냉각기 102, 103: 유량 조절 밸브
104: 제4 혼합기 111: CH4 농도계
112: CO 농도계 113: CH4 농도계
AIR: 공기 BFG: 용광로 가스
NG: 천연 가스 U: 사용처
첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 가스 개질 설비의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 가스 개질 설비(이하, 간략히 '설비'라고 한다)의 개략을 나타내는 블록도이다. 이 설비는 가스 터빈 발전 설비(1)에 저칼로리 가스(이하, 본 실시 예에서는 BFG로 대표 시킨다)를 주체로 한 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 배관(2)과, 개질 가스를 제조하는 개질 가스 제조 설비(3)와, 개질 가스 제조 설비(3)로부터 개질 가스를 연료 가스 공급 배관(2)에 합류시키는 개질 가스 공급 배관(4)과, 연료 가스 공급 배관(2)과 개질 가스 공급 배관(4)의 합류 지점에 설치되고, BFG와 개질 가스를 혼합하여 연료 가스의 조정을 행하는 혼합 조정 장치(5)를 구비하고 있다. 가스 터빈 발전 설비(1)에는 배열을 유효하게 이용하는 부대설비(6)가 부설되어 있다. 개질 가스 제조 설비(3)에는 개질 가스의 원료가 되는 NG, 공기 및 증기를 공급하는 NG 공급 배관(7), 공기 공급 배관(8) 및 증기 배관(91)이 접속되어 있다. 또한, 개질 가스 제조 설비(3)에는, 거기에서 NG를 부분 산화 반응시키기 위하여 가열하는 가열용 증기 공급 배관(9) 및 가스 터빈 추기(抽氣) 공기 배관(이하, 간략히 '추기 배관'이라고 한다)(92)이 접속되어 있다. 또한, 이 설비에는, 개질 가스의 제조, 개질 가스의 공급, 및 BFG와 개질 가스의 혼합 조정을 제어하기 위한 제어 장치(10)가 설치되어 있다.
상기 개질 가스 제조 설비(3)에서는 NG를 공기와 혼합하여 부분 산화시키고, NG 중의 메탄가스(CH4)를 분해하여 수소 가스(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수분(H2O)을 현재화(懸在化)시킨다. 액화한 수분은 드레인(drain)으로서 배출되나, 그 외에는 모두 개질 가스로서 BFG에 혼합된다. 이와 같이, NG를 분해하기만 할 뿐 순수 수소를 취출하는 것은 아니기 때문에, 탈황, 타르 제거, 나프탈렌 제거 등의 전처리 설비는 불필요하다. 또, 가연성분으로서 CH4, H2, CO가 얻어진다. NG와 공기의 혼합비를 변화시키는 것에 의해 이들 가연성분의 비율을 조절하는 것이 가능하다. 따라서 연료 가스로서 선택되는 저칼로리 가스의 성분에 적합하도록 하는 것이 가능하다.
사용하는 NG가 저압인 경우와 고압인 경우 배관 설비가 약간 다르지만, 도 1에서는 양자를 아울러서 기재하고 있다. 예를 들면, 상기 개질 가스 공급 배관(4)은, NG가 저압인지 고압인지에 따라서 다르지만, 도 1에서는 저압 개질 가스 공급 배관(4a)과 고압 개질 가스 공급 배관(4b)이 합쳐져서 나타나 있다. 저압의 NG란, 개질 가스 제조 설비(3)에 공급되는 NG가 가스 터빈으로의 공급 연료에 대해 요구되는 압력보다도 낮은 압력의 경우를 말한다. 고압의 NG란, 반대로 가스 터빈으로의 공급 연료에 대해 요구되는 압력보다도 높은 압력의 NG를 말하고, 예를 들면 액화천연가스를 밀폐된 곳에서 기화시킨 상태의 것이다.
저압 NG를 사용하여 얻어지는 개질 가스의 압력도 낮게 된다. 이 경우, 저압의 개질 가스는 저압 개질 가스 공급 배관(4a)을 통하여 혼합 조정 장치(5)에 보내지고, 여기에서 BFG와 혼합된다. 혼합 조정 장치(5)에서는, 연료 가스 중의 수소 가스 함유율이 소정 범위가 되도록, 개질 가스 공급 배관(4a)으로부터 BFG에 대하여 공급되는 개질 가스의 양을 조정함과 동시에 희석 가스를 필요에 따라 공급한다. 가스 터빈 발전 설비(1)에서는 이 개질된 혼합 BFG를 연료로 하여 가스 터빈을 운전하고 발전한다. 부대설비(6)에는, 후술하는 바와 같이, 가스 터빈(36)으로부터의 배열(排熱)을 이용하는 배열 회수 보일러(41)나 증기 터빈(42)이 설치되어 있다.
고압 NG를 이용하는 경우는, 후술하는 바와 같이, 공기 공급 배관(8)도 고압용의 것을 이용하기 때문에, 저압 NG를 이용하는 경우와는 다르다. 또한, 고압 NG를 사용하여 얻어지는 개질 가스의 압력은 높게 된다. 고압의 개질 가스는 혼합 조정 장치(5)에는 보내지지 않고, 고압 개질 가스 공급 배관(4b)을 통하여 가스 터빈 발전 설비(1) 내의 연료 가스 공급 배관(2)에 직접 보내지고, 여기에서 BFG와 혼합된다.
도 2∼3을 참조하면서, 상기 각 설비(2, 3, 5, 6)를 설명하되, 우선, 저압 NG를 사용하는 경우에 대해서 설명하고, 그 후에 고압 NG를 사용하는 경우에 관련한 차이점에 대하여 설명한다.
(저압 개질 가스 제조 설비(3)의 구성)
도 2에는 개질 가스 제조 설비(3)를 구성하는 기기 배관의 개념도가 나타나 있다. 실제 기계에 있어서는, 각 기기의 수량, 배관 순서 등이 변경되는 것은 있을 수 있다. 또한, 예비기기, 예비 계통, 보수용 장치, 감시용 장치, 고기능화, 고정밀화, 안정화, 간소화 등에 한하지 않고, 설비 설계자나 사용자의 의도에 따라, 본 발명의 범위 내에서 상세 각 부분이 변경되는 경우가 있다.
개질 가스 제조 설비(3)는 NG와 공기를 혼합하기 위한 제1 혼합기(11), 혼합된 기체를 가열하는 것에 의해서 부분 산화시키는 반응용기(12), 및 반응용기(12)에 보내지는 혼합 기체와 반응열에 의해서 고온화된 기체와의 열 교환을 행하는 열 교환기(13)를 구비하고 있다. 혼합 기체의 화학 반응에 필요한 온도까지 반응용기(12)를 가열하기 위해, 반응용기(12)에 접속된 가열용 증기 공급 배관(9)으로부터는 증기가 공급되고, 또는 가스 터빈 공기 압축기(38a)(도 4 참조)로부터 반응용기(12)에 접속된 상기 추기 배관(92)으로부터는 추기된 고온 압축 공기가 유량 조절 밸브(103)를 통하여 공급된다. 추기 배관(92)에는 온도계(89)가 설치되어 있다. 상기 가스 터빈 공기 압축기(38a)로부터의 고온 압축 공기를 이용할 수 없는 때에 가열용 증기 공급 배관(9)으로부터의 증기를 이용한다. 또, 증기나 고온 압축 공기는 반응용기(12)의 기동 시에만 공급되고, 반응 개시 후는 혼합 기체 자체의 반응열에 의하여 반응이 계속된다.
이 개질 가스 제조 설비(3)의 각 배관에는 각종의 계측기기 및 유량 조정 밸브(이하, '유량 조절 밸브'라고 한다)가 설치되어 있다. 이들을 유체의 흐름에 따라서 설명한다.
우선, NG 공급 배관(7)을 통하여 공급되는 NG는, 유량 조절 밸브(51)를 통과한 후, 미스트 세퍼레이터(mist separator)(14)에 이르러 액체 부분이 제거된다. 개질 가스 제조 설비(3)의 제1 혼합기(11)에 이르는 배관(7)에는 압력계(61)와 유량계(71)가 설치되어 있다. 제1 혼합기(11)에도 압력계(63)가 설치되어 있다.
공기 공급 배관(8)을 통하여 공급되는 공기는, 필터(15)에 의하여 제진(除塵) 된 후, 승압 팬(16)에 의해, 유량 조절 밸브(52a, 52b)를 통하여 제1 혼합기(11)로 압송된다. 제1 혼합기(11)에서, 공기는 NG와 혼합된다. 상기 공기 공급 배관(8)에서의 상기 유량 조절 밸브(52a)의 하류에 압력계(62) 및 유량계(72)가 설치되어 있다. 또, 공기 공급 배관(8)에는 상기 승압 팬(16)을 바이패스(bypass) 하는 바이패스 배관(16a)이 설치되어 있다. 이 바이패스 배관(16a)에는 유량 조절 밸브(53)가 설치되어 있다. 이 바이패스 배관(16a)은 승압 팬(16)의 연속 운전이 가능한 최소 유량을 확보하기 위한 것이다.
한편, 증기 배관(91)을 통하여 공급되는 증기는 유량 조절 밸브(93)를 통과한 후 제3 혼합기(94)에 공급되어, NG와 공기와의 혼합 가스에 혼합된다. 참조 부호 '76'은 '유량계'이다.
개질 가스 제조 설비(3)에서는, 제1 혼합기(11)에 의해서 공기와 NG가 혼합되어서 이루어지는 혼합 기체가 열 교환기(13)에 의해 승온된 후, 반응용기(12)로 보내진다. 열 교환기(13)의 상류 측 및 하류 측의 혼합 기체 공급 배관(17)에는 각각 온도계(81, 82)가 설치되어 있다. 반응용기(12) 및 가열용 증기 공급 배관(9)에도 각각 온도계(83, 84)가 설치되어 있다. 반응용기(12)에서는, NG가 부분 산화되어 그의 함유 CH4가 H2, CO, CO2, H2O로 분해된다. 이들은 분리되는 일 없이 개질 가스로서 개질 가스 공급 배관(4)으로 보내진다. 이 개질 가스 공급 배관(4) 중의 개질 가스는, 전술한 열 교환기(13)를 통과함으로써 NG와 공기의 혼합 기체에 의하여 냉각된다. 반응용기(12)와 열 교환기(13) 사이의 개질 가스 공급 배관(4) 부분에는 압력계(64)와 온도계(85)가 설치되어 있다.
개질 가스 공급 배관(4)은 개질 가스 제조 설비(3)로부터 혼합 조정 장치(5)의 제2 혼합기(18)까지 연속 설치되어 있다. 개질 가스 제조 설비(3)로부터 나온 후의 개질 가스 공급 배관(4)에는 냉각기(19) 및 버퍼 탱크(buffer tank)(20)가 설치되어 있다. 버퍼 탱크(20)는 개질 가스 유량의 변동을 흡수하기 위한 것이다. 개질 가스는 냉각기(19)에 의해서 냉각되고, 응축한 액체 부분은 드레인으로서 배출된다. 그 후, 개질 가스는 버퍼 탱크(20)에 소정량 충만한 상태에서, 유량 조절 밸브(54)에 의해 유량 조정되면서 제2 혼합기(18)로 보내진다. 유량 조절 밸브(54)에 의해서 유량 조정된 개질 가스의 유량은, 유량 조절 밸브의 하류에 설치된 유량계(73)에 의하여 검출된다.
냉각기(19)와 버퍼 탱크(20) 사이의 개질 가스 공급 배관(4) 부분에는, 개질 가스 흐름의 하류를 향하여, 온도계(86), H2 농도계(21), O2 농도계(22), CO 농도계(23) 및 CH4 농도계(24)가 설치되어 있다. 버퍼 탱크(20)에는 압력계(64)가 설치되어 있다. 개질 가스 공급 배관(4)에는 버퍼 탱크(20)를 바이패스 하는 바이패스 배관(25)이 설치되어 있다.
(혼합 조정 장치(5)의 구성)
다음으로, 도 3을 참조하면서 혼합 조정 장치(5)를 설명한다. 혼합 조정 장치(5)에는 BFG 공급 배관(26)이 접속되어 있다. BFG 공급 배관(26)에는 온도 계(87), 버퍼 탱크(27) 및 압력계(65)가 설치되어 있다. 버퍼 탱크(27)는 BFG의 유량이 변동한 경우에, 그것에 기인하는 압력의 변동을 완화하기 위한 것이다.
혼합 조정 장치(5)에서의 BFG 공급 배관(26)에는, CH4 농도계(111), CO 농도계(28), H2 농도계(29), 상기 제2 혼합기(18) 및 희석 장치(30)가, 유체 흐름의 하류를 향하여 차례로 설치되어 있다. 다만, 이러한 기기의 배치는 하나의 예로서 나타낸 것이지 이것에 한정되는 것은 아니다. BFG와 개질 가스(H2, CO, CO2, H2O 등)는, 제2 혼합기(18)에 의해서 혼합되어 혼합 가스(연료 가스)가 되어, 연료 가스 공급 배관(2)을 통하여 가스 터빈 발전 설비(1)의 연료 압축기(35)(도 4 참조)로 보내진다.
희석 장치(30)는 연료 가스 중의 H2 농도가 소정 범위를 초과한 때에 질소 가스(N2) 등을 혼합하여 H2 농도를 낮추기 위한 것이다. 이 희석 장치(30)에는 도시하지 않은 질소 가스(N2) 등의 공급원으로부터 희석용 가스로서의 N2 가스 등을 공급하는 공급 배관(31)이 접속되어 있다. 희석 가스 공급 배관(31)에는 유량 조절 밸브(55)와 유량계(74)가 설치되어 있다.
혼합 조정 장치(5)로부터 가스 터빈 발전 설비(1)에 이르는 연료 가스 공급 배관(2)에는, 하류를 향하여 제진기(除塵器)(32), CO 농도계(112), H2 농도계(33), CH4 농도계(113), 압력계(66), 온도계(88) 및 칼로리미터(예를 들면, 가스 분석기)(34)가 설치되어 있다.
(가스 터빈 발전 설비(1)의 구성)
도 4를 참조하면, 가스 터빈 발전 설비(1)에서의 연료 가스 공급 배관(2)에는 모터(M)로 구동되는 상기 연료 압축기(35)가 설치되고, 연료 가스는 이 연료 압축기(35)에 의해, 연료 가스 공급 배관(2)을 통하여 상기 가스 터빈(36)의 연소기(37)로 압송된다. 연료 압축기(35)와 연소기(37) 사이의 연료 가스 공급 배관(2) 부분에는 유량계(75)와 유량 조절 밸브(56)가 설치되어 있다. 가스 터빈(36)에는 발전기(38)가 접속되어 있다. 참조 부호 '38a'는 가스 터빈의 '공기 압축기'이다. 상기 연료 압축기(35)에는 바이패스 배관(39)이 설치되어 있다. 이 바이패스 배관(39)은, 압축기(38a) 출구의 연료 가스 압력을 소정의 압력으로 제어하기 위한 것이고, 유량 조절 밸브(57)와 냉각기(40)를 구비하고 있다.
이 가스 터빈 발전 설비(1)에 부설되는 부대설비(6)는, 배열 회수(排熱回收) 보일러(41), 이 배열 회수 보일러(41)의 증기에 의해 발전하기 위한 증기 터빈(42), 및 배기가스를 방산하기 위한 굴뚝(43)이다. 증기 터빈(42)에는 발전기(44)가 접속되어 있다. 또한, 배열 회수 보일러(41)로부터 소정의 사용처(use point)(UP)에 증기를 공급하기 위한 증기 공급 배관(45)이 설치되어 있고, 이 증기 공급 배관(45)에는 유량 조절 밸브(58)가 설치되어 있다. 이 증기 공급 배관(45)에 의해서 전술한 반응용기(12)에 가열용의 증기를 공급해도 좋다.
이상의 가스 개질 설비는 상기 제어 장치(10)에 의하여 그의 운전이 제어된다. 제어 장치(10)는, BFG에 개질 가스나 희석용 가스를 필요량 혼합하고 BFG의 특성을 개량하기 위한 혼합 조정 장치(5)의 제어와, 이 혼합 조정 장치(5)로부터의 요구 지령에 따라서 NG와 공기의 혼합 가스로부터 소정 용도의 개질 가스를 제조하기 위한 개질 가스 제조 장치(3)의 제어를 행한다. 이하와 같다.
(개질 가스 제조 장치 3의 제어)
NG를 화학 반응시켜서 얻어지는 개질 가스는, BFG에 비해서는 수소 함유율 및 발열량이 훨씬 높다. 따라서 개질 가스 제조 장치(3)의 제어는, 개질 가스의 제조량 및 혼합 조정 장치(5)로의 공급량, 개질 가스의 수소 함유율, 및 개질 가스의 발열량을, 요구되는 수치에 일치하도록 조정하는 것을 목적의 하나로 하고 있다. 그 때문에, 개질 가스 제조 장치(3)로의 NG, 공기 및 증기의 공급량 및 이들의 혼합비가 조절된다. NG와 공기의 혼합비는, 사용되는 가스 터빈에 따라서 정해진 연료 가스 중의 요구 수소 농도, 사전에 계측된 BFG 중의 수소 농도, 개질 가스 제조 장치(3)의 개질 가스 제조 능력, 상기 가스 터빈의 전부하 운전시의 연료 소비량 등에 기초하여 미리 결정된다. 미리 정해진 이 혼합비(기준 혼합비)는 필요에 따라 변경되는 것이다.
NG 및 공기의 공급량 및 이들의 혼합비의 조절은, 각 공급 배관(7, 8)의 유량 조절 밸브(51, 52a, 52b)의 개방도를 조정하는 것에 의해 이루어진다. NG와 공기와의 혼합비는, 전술한 기준 혼합비가 되도록, 각 공급 배관(7, 8)의 유량계(71, 72)에 의한 계측 정보에 기초하여 피드백 제어된다. 개질 가스의 제조량과 혼합 조정 장치(5)에의 공급량의 조정은, 제1 혼합기(11)의 내압(內壓) 또는 개질 가스 공급 배관(4) 상의 버퍼 탱크(20)의 내압이 소정 범위가 되도록 유량 조절 밸브(51)에 의하여 NG 유량을 제어하는 것에 의해 이루어진다. 미리 혼합비가 정해지기 때 문에, 유량 조절 밸브(51)에 의하여 NG 유량(유량계(71)에 의해 계측)이 정해지면, 자동으로 공기 공급 배관(8)의 유량 조절 밸브(52a)의 개방도가 결정되고, 유량 조절 밸브(52b)에 의해서 공기 유량(유량계(72)에 의해 계측)이 조정된다. 한쪽의 유량 조절 밸브(52a)는 NG와 공기의 혼합비에 따라서 자동으로 개방도를 정하는 고정 개방도 밸브이다. 다른 쪽의 유량 조절 밸브(52b)는 혼합비를 확실히 조정하는 자동 제어 밸브로서 작동한다. 이들 유량 조절 밸브(52a, 52b)의 유량 비율은 임의로 설정할 수 있다.
개질 가스의 발열량은, 도 5에 나타나듯이, NG(CH4가 100이라고 상정하여)에 혼합하는 공기의 용적 비율이 '0(零)'일 때에 최대이고, 그 비율이 높아지는 만큼 낮아진다. 한편, 개질 가스 중의 수소 농도는, 도 6에 나타나듯이, 공기의 용적 비율이 '0'일 때에 '0'이고, 20∼35(%) 부근에서 높아지며, 그리고 나서 공기 비율이 높아지는 만큼 낮아져 간다. 또한, 도 5는, 성분이 CH4 뿐이라고 가정한 NG에 대한 공기의 혼합비율에 대한, 해당 혼합 가스의 발열량을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 6은, 성분이 CH4 뿐이라고 가정한 NG에 대한 공기의 혼합 비율에 대한, 제조 후의 개질 가스의 주 연소 성분의 용적 비율을 나타내는 그래프이다.
증기는, NG와 공기의 혼합비가 동일할 경우, 개질 가스 중의 수소 농도를 높이는 효과가 있기 때문에, 동일 NG와 공기의 혼합비를 조절하여 얻을 수 있는 것보다도 한층 더 높은 수소 농도의 개질 가스가 필요한 경우에 공급된다. 이 수소 농도의 변화에 따라서 발열량도 변화하기 때문에, 발열량을 조정하는 것을 목적으로 하여 증기 농도를 조정하여도 좋다.
또한, 개질 가스의 제조에 있어서, 안전상의 이유 때문에 개질 가스 중의 산소 농도를 소정치(예를 들면, 1용적%) 이하로 하도록 제어된다. 이를 위해서는, O2 농도계(22)의 검출 결과에 기초하여, 공기의 혼합비를 감소시키는 방향으로 유량 조절 밸브(52b)에 의해 피드백 제어를 행한다. 또, 연료 가스의 발열량을 조정할 수 있도록, H2 농도계(21), CO 농도계(23), CH4 농도계(24), 압력계(64) 및 온도계(86)에 의한 검출 정보로부터 제어 장치(10)가 개질 가스의 발열량을 산출한다. NG를 이용한 개질 가스의 가연(可燃) 성분은 주로 H2 가스, CO 가스 및 CH4 가스이기 때문이다. 이 산출 발열량에 기초하여, 소정의 발열량이 되도록 유량 조절 밸브(52b)를 이용하여 공기 혼합비를 변경하는 것에 의해 조정한다. 또, 발열량의 산출에 검출 온도 및 검출 압력을 이용하는 것은 증기 분압 보정을 행하기 때문이다.
(혼합 조정 장치(5)의 제어)
혼합 조정 장치(5)의 제어는, 가스 터빈(36)으로 공급해야 할 BFG에 혼합하는 개질 가스의 양을 조정하는 것에 의해, 또한 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 수소 농도 변경 지령을 발하는 것에 의해, 또한 BFG에 희석용 가스를 혼합하는 것에 의해, 혼합 가스(연료 가스)의 수소 농도를 요구 값에 적합하도록 하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 개질 가스의 발열량을 변경하는 지령을 발하는 것에 의해, 연료 가스의 발열량을 조정하는 것도 가능하다. 가스 터빈(36)이 소비하는 연료 가스의 양은 가스 터빈의 부하에 따라서 변동 하므로, 가스 터빈(36)의 운전 제어와 연동하여 BFG, 개질 가스 및 희석 가스의 양과 혼합비를 조정한다.
우선, 연료 가스 중의 수소 함유량 제어를 설명한다. 수소 가스는 연소 속도가 빠르고 착화보염성이 좋기 때문에, 저칼로리인 BFG의 안정적인 연소를 유지하는데 공헌한다. 따라서 수소 함유율이 낮은 저칼로리 가스에 대하여, 제어 장치(10)는 연료 가스 중의 수소 농도가 소정 값(예를 들면, 4용적%)으로 유지되도록 제어한다. 가스 터빈의 경우, BFG의 수소 함유율이 2용적% 이하이면 실화하기 쉽기 때문이다. 또한, 수소 농도 제어에 있어서의 BFG와 개질 가스의 계획 혼합비 및 최대 혼합비는 수동 입력에 의해서 임의로 설정하는 것이 가능하다. 계획 혼합비 및 최대 혼합비에 관해서는 후술한다.
만일, 개질 가스의 공급량을 조정(증대)하는 것에 의해서도 수소 농도가 소정 값을 밑도는 경우, 제어 장치(10)는 알람(low-alarm)을 발함과 동시에, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 수소 농도 증가 지령을 발한다. 이 지령을 받은 개질 가스 제조 장치(3)에서는, NG로의 공기 혼합 비율을 바꾸어 개질 가스 중의 수소 농도를 상승시킨다. 개질 가스 중의 수소 농도는 NG와 공기의 혼합비가 30용적% 정도에서 최대가 되기 때문에, 이 혼합비에서도 더욱 개질 가스 중의 수소 농도를 높게 할 필요가 있는 경우, NG와 공기의 혼합비를 고정해 두고 증기를 혼합한다. 수소 농도의 상승에 따라서 발열량도 상승하기 때문에, 증기의 혼합률을 변화시키는 것에 의해 발열량 제어도 행할 수 있다. 증기의 혼합량의 최대치는 제3 혼합기(94)의 농도 조건하에서 포화 압력 이하로 한다.
개질 가스의 수소 농도를 최대로 상승시키는 것에 의해서도 수소 농도가 소정 값을 밑도는 경우, 제어 장치(10)는 알람(low-low alarm)을 발함과 동시에, 수소 농도 제어에서 발열량 제어로 전환한다. 즉, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 개질 가스의 발열량을 증대시키는 지령을 발한다. 이 지령을 받은 개질 가스 제조 장치(3)에서는, NG로의 공기 혼합 비율을 바꾸어 개질 가스의 발열량을 증대시킨다. 구체적으로는 NG로의 공기 혼합 비율을 낮추는 것에 의해 개질 가스의 발열량을 증대시킨다.
한편, 만약 개질 가스의 공급량을 조정(감소)하는 것에 의해서도 수소 농도가 소정 값을 초과하는 경우, 제어 장치(10)는 알람(high-alarm)을 발함과 동시에, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 수소 농도 저하 지령을 발한다. 이 지령을 받은 개질 가스 제조 장치(3)에서는, NG로의 공기 혼합 비율을 바꾸어 개질 가스 중의 수소 농도를 낮춘다.
또한, 개질 가스의 수소 농도를 최소까지 낮추는 것에 의해서도 수소 농도가 소정치를 초과하는 경우, 제어 장치(10)는 알람(high-high-alarm)을 발함과 동시에, 수소 농도가 소정 값이 되도록, 희석 가스 공급 배관(31)의 유량 조절 밸브(55)를 조정하여 희석 장치(30)에 공급하는 희석용 가스의 필요 유량(유량계(74)에 의해 검출)을 설정한다. 희석용 가스로서는 통상 N2가 사용되나, 이것에 한정되지 않는다.
이상의 제어는, 연료 가스로서 사용되는 BFG 중의 수소 농도를 소정 값으로 유지하기 위한 제어이나, 본래 수소 농도가 충분한 한편 안정된(5용적% 이상) 저칼로리 부생 가스도 존재한다. 다만, 이러한 저칼로리인 부생 가스라도, 주 조업 프로세스에 있어서의 조업 조건 변경의 영향을 받아 발열량(가스 칼로리)이 변화하는 일이 있다. 이와 같은 경우의 칼로리 변동에 대처하기 위해, 연료 가스의 발열량을 안정시키는 것에 의해 운전을 유지하기 위한 제어(발열량 제어)를 행하는 것도 가능하다.
즉, 개질 가스 공급 배관(4) 및 연료 가스 공급 배관(2)에 설치된 유량계(73, 74, 75)와, 연료 가스 공급 배관(2)에 설치된 H2 농도계(29), CO 농도계(28), CH4 농도계(111), 압력계(65) 및 온도계(87)에 의한 검출 결과에 기초하여 BFG의 발열량을 계산하고, 또한 개질 가스 공급 배관(4)에 설치된 유량계(73), H2 농도계(21), CO 농도계(23), CH4 농도계(24), 압력계(64) 및 온도계(86)에 의한 검출 결과에 기초하여 개질 가스의 발열량을 계산한다. 이들의 총 발열량이 가스 터빈(36)의 운전에 필요한 발열량을 밑도는 경우에, 개질 가스 공급 배관(4)으로부터 더 높은 칼로리를 가지는 개질 가스를 공급하여 연료 가스의 필요 발열량까지 상승시키는 제어이다. 개질 가스의 공급량은 유량 조절 밸브(54)에 의하여 제어한다. 또한, 발열량의 산출에 검출 온도 및 검출 압력을 이용하는 것은 증기 분압 보정을 행하기 때문이다.
발열량 계산을 위한 농도 검출에 각 성분 가스의 농도계(21, 23, 24, 28, 29, 111)를 이용하는 것은, 검출 속도가 빨라서 프로세스 제어에 적합하기 때문이 다. 한편, 검출 속도는 늦지만 가스 성분을 정확히 계측할 수 있는 전술한 칼로리미터(34)는 연료 가스의 성상(性狀) 변화를 감시하기 위해 사용된다. 따라서 BFG와 개질 가스를 혼합한 후의 연료 가스의 가연성 성분은 상기 칼로리미터(34)에 의하여 계측하고, 조정을 위해 제어 장치(10)로 피드백 할 수 있다.
또한, 이 연료 가스의 칼로리 값(가연 성분의 농도)의 검출 속도를 빠르게 하여 즉응성(卽應性)을 갖게 하려면, 연료 가스 공급 배관(2)에 설치되는 CO 농도계(112)와 H2 농도계(33)와 CH4 농도계(113)를 이용하여 가연 성분의 농도를 검출하고, 압력계(66) 및 온도계(88)에 의한 계측 압력 및 계측 온도로부터 수분 보정을 하여 계산하면 좋다. 혼합 후의 연료 가스의 발열량이 가스 터빈의 허용 칼로리 변동 폭의 상한치를 초과하는 경우에는, 희석 가스 공급 배관(31)에 의해서 N2 가스 등의 희석 가스를 공급하는 것에 의해 발열량을 낮춘다.
이러한 발열량 제어에 있어서의 BFG와 개질 가스의 계획 혼합비, 최소 혼합비 및 최대 혼합비는 수동 입력에 의해서 임의로 설정할 수 있다. 이것은, 각 용광로나 조업 조건마다 발생하는 BFG의 조성은 다르고, 필연적으로 이것에 연계하여야 할 개질 가스의 조성도 다르지 않을 수 없으므로, 이것에 대응하도록 적절히 변경 설정하기 때문이다. 또한, 저칼로리 부생 가스에는 전술한 대로 5용적% 이상의 고농도 수소를 포함하도록 한 것도 존재하지만, BFG와 같이 저농도의 것도 있다. 이와 같은 가스에서는, 발열량 제어 시에 있어서도 전술한 소정의 수소 농도를 유지하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 수소 가스는 착화보염성이 좋고, 안정 연소를 확 보하기 위해 필요한 가스 성분이기 때문이다.
전술한 계획 혼합비란, 어떤 수소 농도의 BFG에 대한, 미리 계획된 수소 농도를 가지는 개질 가스의 혼합비이고, 미리 설계 단계에서 계산에 의해 얻어지는 비(比)이다. 이 계획 혼합비가 미리 얻어져 있으면, BFG의 수소 농도 변화에 대하여 제어 응답성이 양호해 진다. 그리고 연료 가스 공급 배관(2)의 H2 농도계(33)의 검출 결과에 기초하는 피드백 제어에 의해 미세한 조정이 이루어진다. 최대 혼합비란, 계기의 오신호(誤信號)에 의한 개질 가스의 과잉 혼합을 방지하기 위하여 설정하는 혼합비의 상한치이다. 마찬가지로, 최소 혼합비란, 계기의 오신호에 의한 개질 가스의 혼합 부족(발열량 부족)을 방지하기 위하여 설정하는 혼합비의 하한치이다.
이하, 구체적인 발열량 제어를 설명한다. 통상의 운전 중에 연료 가스의 발열량이 미리 정해진 범위를 밑도는 경우, 제어 장치(10)는 연료 가스의 발열량이 소정 값이 되도록, 개질 가스 공급 배관(4)의 유량 조절 밸브(54)의 개방도를 증대하여 제2 혼합기(18)로 공급하는 개질 가스의 유량(유량계(73)에 의하여 검출)을 증대한다.
개질 가스의 유량을 증대하여도 여전히 연료 가스의 발열량이 설정치를 밑도는 경우, 제어 장치(10)는 알람(low-alarm)을 발함과 동시에, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 발열량 증가 지령을 발한다. 이 지령을 받은 개질 가스 제조 장치(3)에서는, NG로의 공기 혼합 비율을 바꾸어 개질 가스의 발열량을 상승시킨다. NG로의 공기 혼합 비율의 조절량은 도 5의 그래프의 경향에 맞추어 결정된다. 필요에 따라 증기의 혼합률도 변화시키는 것에 의해 개질 가스의 발열량을 상승시킨다.
개질 가스의 발열량을 최대로 상승시키는 것에 의해서도 여전히 연료 가스의 발열량이 소정치를 밑도는 경우, 제어 장치(10)는 알람(low-low alarm)을 발한다. 이것에 대응하여 조작원이 적절한 처치를 행한다.
한편, 만약 개질 가스의 공급량을 조정(감소)하는 것에 의해서도 발열량이 소정의 상한치를 초과하는 경우, 제어 장치(10)는 알람(high-alarm)을 발함과 동시에, 개질 가스 제조 장치(3)에 대하여 발열량 저하 지령을 발한다. 이 지령을 받은 개질 가스 제조 장치(3)에서는, NG로의 공기 혼합 비율을 바꾸어 개질 가스의 발열량을 낮춘다.
또, 개질 가스의 발열량을 최소까지 낮추는 것에 의해서도 여전히 연료 가스의 발열량이 소정의 높은 상한치(高上限値)를 초과하는 경우, 제어 장치(10)는 알람(high-high-alarm)을 발함과 동시에, 발열량이 소정의 낮은 상한치(低上限値)가 되도록, 희석 가스 공급 배관(31)의 유량 조절 밸브(55)를 조정하여 희석 장치(30)에 공급하는 희석 가스의 필요 유량(유량계(74)에 의하여 검출)을 설정한다.
또한, 수소 농도 제어 시 및 발열량 제어 시에, NG와 공기의 혼합비를 변경할 때에는 혼합에 필요한 시간 지연을 고려하여 행하는 것이 바람직하다.
상술한 연료 가스의 발열량 제어는, 연료 가스의 발열량을 검출하면서 개질 가스나 희석 가스의 공급에 의해 직접적으로 발열량을 증감하는 제어이다.
다음으로, 도 7∼도 9를 병행하여 참조하면서, 전술한 저압 NG가 아닌 고압 NG를 이용하는 경우의 설비 상의 차이점을 중심으로 설명한다.
고압 NG를 이용하는 경우는, 이에 맞추어서 공급하는 공기도 고압으로 할 필요가 있지만, 도 7 및 도 8을 참조하면서 이하에서 2종류의 고압 사양의 공기 공급 배관(8)에 관해서 설명한다. 도 7에서 2점 쇄선으로 나타낸 범위의 배관은 고압용으로서, 도 2 중의 저압 공기 공급 배관(8)에 있어서 2점 쇄선으로 둘러싼 'A'부분에 대신하여 채용하는 것이다.
도 7에 도시한 공기 공급 배관(8)에는, 후술하는 가스 터빈에서의 공기 압축기(38a)에 접속된 추기 배관(92)을 통하여 추기되는 고온 고압 공기가, 유량 조절 밸브(103)에 의하여 유량 조정되면서 인도된다. 그리고 상기 공기 공급 배관(8)에서의 전술한 유량 조절 밸브(52a, 52b)의 하류에 승압용 압축기(95)가 설치되어 있다. 공기 공급 배관(8)에는 상기 승압용 압축기(95)를 바이패스 하는 바이패스 배관(96)이 접속되고, 이 바이패스 배관(96)에는 공기 냉각기(97)와 승압용 압축기(95)의 서징(surging)을 방지하기 위한 유량 조절 밸브(98)가 설치되어 있다. 이와 같이 하여 가스 터빈에서의 공기 압축기(38a)로부터의 고온 고압 공기를 이용할 수가 있다.
도 8에 도시한 공기 공급 배관(8)에는, 도 2 중의 저압 공기 공급 배관(8)과 마찬가지로 저압의 공기가 공급되어 온다. 그러나 상기 고압 공기 공급 배관(8)에는, 도 2 중의 저압 공기 공급 배관(8)에서의 승압 팬(16)에 대신하여 고압의 공기 압축기(99)가 설치되어 있다. 또, 공기 공급 배관(8)에는 상기 공기 압축기(99)를 바이패스 하는 바이패스 배관(100)이 접속되고, 상기 바이패스 배관(100)에는, 공 기 냉각기(101)와 공기 압축기(99)의 서징을 방지하기 위한 유량 조절 밸브(102)가 설치되어 있다.
도 9에는 고압의 NG로 제조한 고압의 개질 가스를 이용하는 가스 터빈 발전 설비(1)의 배관 설비가 나타나 있고, 이것은 도 3 및 도 4에 나타낸 저압의 개질 가스를 사용하는 배관에 상당한다. 여기에서는, 도 3에 나타낸 것과 같은 BFG와 개질 가스의 혼합 조정을 행하는 혼합 조정 장치(5)가 한데 모인 형태로 설치되어 있지는 않다. 구체적으로는, 도시된 바와 같이, 전술한 혼합 조정 장치(5) 중의, 압력계(65), CO 농도계(28) 및 H2 농도계(29)가 연료 압축기(35)의 상류 측에 설치되어 있고, 개질 가스와 BFG를 혼합하는 제4 혼합기(104)와, 유량 조절 밸브(55), 유량계(74) 및 희석 장치(30)가 설치된 희석 가스 공급 배관(31)이 연료 압축기(35)의 하류 측에 설치되어 있다. 이와 같이, 혼합 조정 장치(5)의 구성요소가 연료 압축기(35)의 상류와 하류로 나누어져 설치되어 있다. 이는 BFG에 혼합하는 개질 가스는 고압이어서 상기 연료 압축기(35)에 의한 승압을 필요로 하지 않기 때문에, 개질 가스 공급 배관(4)을 연료 압축기(35)의 하류 측에 접속하는 것에 따른 것이다. 또, 가스 터빈(36) 중의 공기 압축기(38a)에 추기 배관(92)이 접속되어 있다. 공기 압축기(38a)로부터 상기 추기 배관(92)을 통하여 고온 고압 공기가 전술한 개질 가스 제조 장치(3)로의 공기 공급 배관(8)에 보내진다. 이상의 점이 도 3 및 도 4에 나타낸 저압의 개질 가스를 사용하는 배관과 서로 다르다.
본 발명에 의하면, 불순물이 거의 없는 NG를 분해하여 필요한 농도의 수소 가스를 함유하는 깨끗한 개질 가스 발생시켜, 이것을 특성이 불안정한 저칼로리 가스에 정교하게 혼합하는 것에 의해, 종래의 대규모적인 가스 연료 전처리 설비 등을 필요로 하지 않고 가스 터빈의 계속적인 안정 연소를 실현하는 것이 가능해진다.
Claims (19)
- 천연 가스 공급 라인 및 공기 공급 라인을 구비하고, 천연 가스와 공기를 혼합시켜, 이 혼합 기체를 화학 반응시켜서 개질하는 것에 의해 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 제조하기 위한 반응용기를 구비하는 개질 가스 제조 장치와,저칼로리 가스와 상기 개질 가스 제조 장치로부터 공급되는 개질 가스를 혼합하여 가스 터빈 설비에 연료 가스로서 공급하기 위한 혼합 조정 장치와,상기 개질 가스 제조 장치로부터 상기 혼합 조정 장치로 개질 가스를 공급하기 위한 개질 가스 공급 통로와,상기 혼합 조정 장치로부터 가스 터빈 설비에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로와,상기 개질 가스 제조 장치 및 혼합 조정 장치의 동작을 제어하기 위한 제어 장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 제조 장치가, 증기 공급 라인을 더 구비하고, 천연 가스와 공기의 혼합 기체에 더욱 증기를 가해서 화학 반응시키는 것에 의해 개질하여 얻어지는 개질 가스를 상기 혼합 조정 장치로 공급할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 수소 농도를 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제2항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개 질 가스의 수소 농도를 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기와,상기 혼합 조정 장치 내에 설치된, 연료 가스를 희석용 가스에 의하여 희석하기 위한 희석 가스 공급 장치를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 연료 가스에 대하여 희석 가스 공급 장치로부터 희석 가스를 혼합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제2항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공 급 통로에 설치되는 연료 가스의 수소 농도 검출기를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 수소 농도 검출기의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 발열량 계측 수단을 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 발열량 계측 수단을 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기와의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제2항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 발열량 계측 수단을 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치에서의 천연 가스와 공기와 증기의 혼합비를 변경하는 것에 의해, 개질 가스의 발열량을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 연료 가스 공급 통로에 설치되는 통로의 내압을 계측하는 압력 계측 수단을 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 압력 계측 수단의 계측 정보에 기초하여, 개질 가스 제조 장치로부터 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 양을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로 및 연료 가스 공급 통로 중 적어도 연료 가스 공급 통로에 설치되는 연료 가스의 발열량 계측 수단과,상기 혼합 조정 장치 내에 설치되는, 연료 가스를 희석용 가스에 의해서 희석하기 위한 희석 가스 공급 장치를 더 구비하고,상기 제어 장치가, 상기 발열량 계측 수단의 검출 정보에 기초하여, 연료 가스에 대하여 희석 가스 공급 장치로부터 희석 가스를 혼합하도록 구성되는 것을 특 징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 반응용기에서의 화학 반응의 촉진을 위하여 가스 터빈 설비로부터 가열용의 증기를 공급하기 위한 가열용 증기 공급 라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제14항에 있어서,상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 반응용기에서의 화학 반응의 촉진을 위한 가열용으로 가스 터빈 설비로부터 고온 압축 공기를 취출하여 반응용기에 공급하는 추기 라인을 더 구비하여, 증기와 고온 추기를 선택적으로 공급할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 제조 장치가, 그의 개질 가스 공급 통로에 열 교환 수단을 구비하고, 상기 열 교환 수단이, 반응용기로 공급되는 천연 가스 및 공기의 혼합 기체와 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스와의 열 교환을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로가, 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스를 냉각하기 위한 냉각 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제17항에 있어서,상기 냉각 수단이, 개질 가스 공급 통로에서의 열 교환 수단의 하류 측에 설치되어, 개질 가스 중의 액체를 응축하여 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
- 제1항에 있어서,상기 개질 가스 공급 통로에 버퍼 탱크가 설치되고, 상기 버퍼 탱크가 개질 가스 유량의 변동을 흡수하는 것에 의해, 상기 혼합 조정 장치로 공급되는 개질 가스의 압력이 안정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 개질 설비.
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