KR101008374B1 - 저칼로리 가스 공급 설비 - Google Patents

저칼로리 가스 공급 설비 Download PDF

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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

본 발명은 저칼로리 가스 공급 설비에 관한 것으로서, 저칼로리 가스를 연료 가스로서 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와; 상기 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되고, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 탱크; 및 상기 탱크의 상단 개구를 기밀하게 밀폐하고, 상기 탱크 내를 상하 이동 가능하게 설치되어 상기 저칼로리 가스의 공급량과 소비량과의 밸런스를 감시하기 위한 뚜껑 부재를 구비하고, 상기 탱크가, 저칼로리 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 가스를 유입하기 위한 입구와, 탱크로부터 저칼로리 가스 공급 통로로 가스를 유출하기 위한 출구를 가지며, 저칼로리 가스 공급 통로와 상기 탱크 사이에, 저칼로리 가스를 저칼로리 가스 공급 통로로부터 상기 입구를 통하여 탱크로 보내는 가스 입구 통로와, 저칼로리 가스를 탱크로부터 상기 출구를 통하여 저칼로리 가스 공급 통로로 보내는 출구 통로가 설치되고, 상기 입구 통로에 저칼로리 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치가 설치된다.
Figure R1020087004075
가스, 터빈, 연료, 칼로리, 상승, 억제

Description

저칼로리 가스 공급 설비{LOW CALORIE CONTENT GAS FEEDING APPARATUS}
본 발명은 가스 터빈 설비, 저칼로리 가스 공급 설비 및 그 가스의 칼로리 상승 억제 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 저칼로리 가스를 가스 터빈의 연료로서 사용할 수 있는 상태로 가스 터빈에 공급하는 저칼로리 가스 공급 설비, 이 저칼로리 가스 공급 설비를 구비한 가스 터빈 설비 및 이 가스 터빈 연료용 저칼로리 가스의 발열량(칼로리라고도 함)의 상승을 억제하는 방법에 관한 것이다.
제철 분야에 있어서, 예를 들면 용광로 법으로 선철을 생산하는 경우, 용광로에서 노정(爐頂) 가스(Blast Furnace Gas; 이하 'BFG'라고 한다)가 부생(副生) 가스로서 발생한다. BFG의 총 발열량은 사용한 코크스의 발열량의 약 절반까지 이르기 때문에, 제선 원가 저감을 위하여 BFG는 제철소 내에서 다방면으로 이용되고 있다. BFG는 투입 코크스 1톤당 3000N㎥ 정도 발생하고, 그 조성은 이산화탄소(CO2)가 10 ~ 18 용적%(이하, 간략히 '%'로 표기한다), 일산화탄소(CO)가 22 ~ 30%, 질 소(N2)가 52 ~ 60%, 수소(H2)가 0.5 ~ 4%, 메탄(CH4)이 0.5 ~ 3% 정도로 이루어진다.
BFG는 이들 이외에 연진(煙塵)을 2 ~ 10g/N㎥ 함유하고 있기 때문에, 이것을 제진기(除塵器)에서 0.01g/N㎥ 정도까지 제거한 후, 발열량 800kcal/N㎥ 정도의 연료 가스로서, 열풍로, 코크스로, 가열로, 보일러 등에 이용되고 있다. 최근, 가스 터빈에 있어서도, 그 기술의 향상에 의해 저칼로리 가스의 연소가 가능해지고, BFG를 가스 터빈 연로로서 이용하여 발전하는 사례가 증가하고 있다. 여기서 말하는 저칼로리 가스란, 그 발열량이 약 12MJ/N㎥ 이하의 가스로 정의한다. 저칼로리 가스로서는, 후술하는 바와 같이, 용광로 가스(BFG)에만 한정하지 않고, 전로(轉爐) 가스(LDG) 등의 여러 가지 다른 종류의 가스나 그들의 혼합 가스가 포함된다.
한편, 최근, 용광로 법 이외의 새로운 제철 프로세스(예를 들면, FINEX나 COREX 등의 직접 환원 제철법)가 개발되고 있어, 이러한 신규 프로세스로부터 발생하는 부생 가스의 유효한 이용에 대해서도 적용할 수 있는 연소 방식의 개발이 기대되고 있다. 어떤 제철 프로세스이거나, 발생하는 부생 가스의 특성(가스 조성이나 칼로리)은 설비나 조업 내용에 따라서 다르다. 부생 가스는 동일 설비이어도 각 원료의 특성이나 반응 정도에 따라서 시시각각 변화하고, 일정하지 않다.
부생 가스를 가스 터빈의 연료로서 사용하는 경우의 가장 중요한 특성인 칼로리에 관하여 살펴보면, 각 가스 터빈이 본래 가지는 칼로리의 허용 변동폭의 상한(예를 들면 평균 칼로리 값의 약 +10%)을 초과하는 경우, 즉 칼로리가 급격히 커 진 경우, 가스 터빈의 연소기 내에서의 연소 온도가 급격히 비정상적인 고온이 된다. 이로 인하여 버너 부분, 터빈의 정익(靜翼) 및 동익(動翼)이 손상을 받아서 수명을 단축하기도 하는 폐해가 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 가스 터빈 설비의 경제적인 연속 운전이 곤란해진다.
부생 가스의 변동하는 칼로리를 억제하기 위하여 질소 가스(N2)에 의해 희석하는 기술은 공지되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 참조). 그러나, N2만으로 부생 가스를 희석하는 경우, 칼로리의 변동 값에 따라서는 고가인 N2 등의 불활성 가스를 대량으로 사용하지 않을 수 없다. 또, 불활성 가스를 연속하여 대량으로 확보하는 것은 특수한 산업 분야를 제외하고는 매우 어렵다. 또한, 대량의 불활성 가스의 저장 설비나, 배관을 포함하는 가스 공급을 위한 각종 기기 설비 등을 설치할 필요가 있다. 이러한 이유에 의해, 불활성 가스를 사용하는 방법은 가스 터빈 발전의 경제성을 저하시켜, 고효율을 표방하는 가스 터빈의 기술적 우위성을 저해한다.
특허문헌 1: 일본 특개2002-155762호 공보
특허문헌 2: 일본 특개평9-317499호 공보
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 설비 비용 및 운전 비용이 저렴한, 가스 터빈용 저칼로리 연료 가스의 칼로리 상승을 완화할 수 있는 저칼로리 가스 공급 설비, 이 저칼로리 가스 공급 설비를 구비한 가스 터빈 설비 및 가스 터빈 연료용 저칼로리 가스의 발열량의 상승을 억제하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여 본 발명의 저칼로리 가스 공급 설비는,
저칼로리 가스를 연료 가스로서 가스 터빈에 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와,
상기 저칼로리 가스 공급 통로에 접속되고, 저칼로리 가스 공급 통로에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 통로와,
상기 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되고, 가스 중의 발열량을 검출하기 위한 발열량 검출 장치, 및
상기 발열량 검출 장치의 검출 결과에 기초하여 공기 공급 통로에 의한 공기 공급 동작을 제어할 수 있는 제어 장치를 구비하고 있다.
본 발명에 의하면, 질소가스를 대량으로 포함함과 더불어 조달이 극히 용이한 공기를 혼합하는 것에 의해, 저칼로리 가스의 칼로리 가스의 칼로리 상승을 억제할 수가 있다. 여기서, 발열량 검출 장치란, 가스의 발열량을 직접 계측하는 장 치(예를 들면, 이른바 '칼로리미터')는 물론, 가스 중의 가연 성분의 함유율을 계측하는 장치도 포함된다.
상기 제어 장치는, 가스 터빈의 연료 가스의 최대 허용 칼로리 값이 설정되고, 저칼로리 가스의 칼로리 값이 상기 최대 허용 칼로리 설정 값을 초과할 때에, 공기 공급 통로로부터 공기가 공급되도록 구성될 수 있다.
상기 저칼로리 가스 공급 통로에서의 공기 공급 통로와의 접속부보다 하류 측 부위에는 산소 농도 검출 장치가 설치되고, 상기 제어 장치는, 산소 농도 검출 장치의 검출 결과에 기초하여 공기 공급 통로에 의한 공기 공급 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 저칼로리 가스와 공기의 혼합기의 발화(發火)를 방지하기 위하여, 일정 비율(약 21%이며, 이것은 불변)의 산소를 함유하는 공기의 저칼로리 가스에 대한 혼합을, 상기 혼합기의 산소 함유율에 기초하여 제어할 수가 있기 때문이다.
상기 산소 농도 검출 장치를 구비한 설비는, 상기 제어 장치가, 저칼로리 가스와 공기의 혼합비로부터 얻어지는 저칼로리 가스의 가연 한계 정보에 기초하여 설정된 공기의 허용 혼합 용적 비율을 기준으로, 공기 공급 통로에 의한 공기의 공급량을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 산소 농도 검출 장치를 구비한 설비에 있어서, 상기 저칼로리 가스 공급 통로에는 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 통로가 접속되고, 상기 제어 장치는, 산소 농도 검출 장치의 검출 결과에 기초하여 불활성 가스 공급 통로에 의한 불활성 가스 공급 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 공기 공급을 제한하는 것에 의해서 저칼로리 가스의 칼로리 상승의 억제가 불충분하 게 된 경우에는, 불활성 가스의 공급에 의해서 칼로리 변동의 억제 작용을 보충할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 혼합부에 이르는 불활성 가스 공급 통로의 일부가 상기 공기 공급 통로와 공통의 통로를 구성할 수도 있다.
상기 저칼로리 가스 공급 통로에는 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 통로가 접속되고, 상기 제어 장치는, 공기 공급 통로에 의한 저칼로리 가스 공급 통로로의 공기 공급을 하고 있는 상태에서, 발열량 검출 장치의 검출 결과에 기초하여 불활성 가스 공급 통로에 의한 불활성 가스 공급 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 만일 공기에 의한 저칼로리 가스의 칼로리 상승의 억제가 불충분한 경우에는, 불활성 가스에 의해 보충할 수가 있기 때문이다.
이상의 각 설비에 있어서, 상기 저칼로리 가스 공급 통로에는 저칼로리 가스를 일시적으로 저장(貯留)하는 제1탱크가 설치되고, 상기 제1탱크는 입구와 출구를 가진다. 상기 입구에는 저칼로리 가스 공급 통로의 상류 측이 접속되고, 출구에는 저칼로리 가스 공급 통로의 하류 측이 접속되는 것이 바람직하다. 저칼로리 가스 공급 통로를 통하여 공급되는 저칼로리 가스 전체가 제1탱크 내에 일시적으로 저장되고, 그 안에서 혼합됨으로써, 그의 칼로리 변동의 폭이 감소하는 한편, 칼로리 변동 속도가 완화된다. 이에 따라, 제1탱크 출구의 하류부에서의 공기를 이용한 희석에 의한 칼로리 평준화 제어가 한층 용이해 진다. 전술한 발열량 검출 장치는 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되지만, 저칼로리 가스 공급 통로에 상기 제1탱크나 후술하는 제2탱크가 설치되는 설비에 있어서는, 이 탱크도 저칼로리 가스 공급 통로를 구성하기 때문에, 발열량 검출 장치는 상기 탱크에 설치될 수도 있다.
상기 저칼로리 가스 공급 통로에는, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 제2탱크가 설치되고, 저칼로리 가스 공급 통로와 상기 제2탱크 사이에는, 저칼로리 가스를 저칼로리 가스 공급 통로로부터 제2탱크로 보내는 가스 입구 통로와, 저칼로리 가스를 제2탱크로부터 저칼로리 가스 공급 통로로 되돌리는 출구 통로가 설치될 수 있다. 상기 입구 통로에는 저칼로리 가스를 제2탱크를 향하여 압송하는 제1 가스 압송 장치가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제1탱크에 의한 작용과 동일한 작용이 이루어지기 때문이다.
또한, 전술한 제1탱크 및 제2탱크는 모두, 내부 용적이 변화하지 않는 고정 형식의 탱크일 수 있으며, 또한 종래의 가스 터빈 설비 등에서 가스의 수급 밸런스를 감시하는 장치(gas holder)로서 이용되는 내부 용적 변동 형식의 탱크일 수도 있다. 내부 용적 변동 형식의 탱크란, 탱크 내압(內壓)에 부응하여 상하 이동할 수 있도록 기밀(氣密)하게 장착된 뚜껑 부재를 가지는 탱크, 구동 장치에 의해 뚜껑 부재를 적극적으로 상하 이동시키는 것에 의해 밸런스 효과를 최대로 할 수 있도록 탱크 용적을 선정할 수 있는 탱크 등을 의미한다.
상기 저칼로리 가스 공급 통로에는, 공급할 저칼로리 가스의 일부를 상기 저칼로리 가스 공급 통로의 상류 측으로 되돌리는 귀환 통로가 설치되며, 이 귀환 통로에는, 저칼로리 가스를 저칼로리 공급 통로의 상류 측을 향하여 압송하는 제2 가스 압송 장치가 설치될 수 있다. 상기 제1 탱크에 의한 작용과 동일한 작용이 이루어지기 때문이다.
상기 공기 공급 통로에 설치되고, 이 통로를 차단 및 개방할 수 있는 공기 차단 장치와, 이 공기 차단 장치의 상류 측에 설치된 공기 방출 장치를 구비하는 저칼로리 가스 공급 설비가 바람직하다. 공기 차단 장치로서는 예를 들면, 스톱 밸브나 유량 조절 밸브 등이 사용될 수 있다.
상기 불활성 가스 공급 통로에 설치되고, 이 통로를 차단 및 개방할 수 있는 불활성 가스 차단 장치와, 이 불활성 가스 차단 장치의 상류 측에 설치된 불활성 가스 방출 장치를 구비하는 저칼로리 가스 공급 설비가 바람직하다. 불활성 가스 차단 장치로서는 예를 들면, 스톱 밸브나 유량 조절 밸브 등을 사용할 수 있다. 상기 저칼로리 가스 공급 통로에 이르는 불활성 가스 공급 통로의 일부분이 상기 공기 공급 통로와 공통의 통로를 구성하고 있고, 동시에 공기 차단 장치와 공기 방출 장치가 설치되어 있는 경우에는, 불활성 가스 차단 장치와 공기 차단 장치를 겸용하는 하나의 차단 장치가 구비될 수도 있다. 또한, 불활성 가스 방출 장치와 공기 방출 장치를 겸용한 하나의 방출 장치가 구비될 수 있다.
본 발명의 가스 터빈 설비는,
가스 터빈과, 이 가스 터빈에 연료 가스로서 저칼로리 가스를 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 설비를 구비하고 있고, 상기 저칼로리 가스 공급 설비가, 전술한 것들 중 어느 하나의 저칼로리 가스 공급 설비이다.
본 발명의 가스 터빈 연료용 저칼로리 가스의 칼로리 상승 억제 방법은,
연료 가스로서 가스 터빈에 공급하는 저칼로리 가스의 발열량을 계측하는 칼로리 계측 단계와,
상기 계측 결과가 설정된 허용 칼로리 값을 초과할 때에, 희석용 공기를 상 기 저칼로리 가스에 혼입하는 공기 혼입 단계를 포함한다.
상기 공기 혼입 단계는, 저칼로리 가스와 공기의 혼합기의 산소 농도를 계측하는 단계와, 상기 계측 결과가, 저칼로리 가스의 가연 한계 정보로부터 얻어지는 설정 허용 공기 함유율을 초과하지 않도록 공기 혼입량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 최대한의 공기 공급에 의해서도 상기 발열량 계측 결과가 설정 허용 칼로리 값 아래로 형성되지 않는 것으로 판단한 때에는, 불활성 가스를 저칼로리 가스에 혼입하는 단계를 더 포함하는 칼로리 상승 억제 방법이 바람직하다.
그리고, 공기 혼입량을 조정하는 단계를 포함하는 칼로리 상승 억제 방법에 있어서, 공기 혼입량을 감소시키면 상기 혼합기의 발열량이 설정된 허용 칼로리를 초과하고, 증대시키면 설정 허용 공기 함유율을 초과한다고 판단한 때에는, 공기 혼입량을 감소시킴과 더불어, 불활성 가스를 저칼로리 가스에 공급하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 저칼로리 가스 공급 설비는,
저칼로리 가스를 연료 가스로서 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와,
상기 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되고, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 탱크를 구비하고,
상기 탱크가, 저칼로리 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 가스를 유입하기 위한 입구와, 탱크로부터 저칼로리 가스 공급 통로로 가스를 유출하기 위한 출구를 가진다.
상기 입구에는 저칼로리 가스 공급 통로의 상류 측이 접속되고, 상기 출구에는 저칼로리 가스 공급 통로의 하류 측이 접속될 수 있다.
또는, 저칼로리 가스 공급 통로와 상기 탱크 사이에, 저칼로리 가스를 저칼로리 가스 공급 통로로부터 상기 입구를 통하여 탱크로 보내는 가스 입구 통로와, 저칼로리 가스를 탱크로부터 상기 출구를 통하여 저칼로리 가스 공급 통로로 반송하는 출구 통로가 설치되고, 상기 입구 통로에는 저칼로리 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치가 설치될 수 있다.
상기 탱크의 입구 및 출구에 각각 저칼로리 가스 공급 통로의 상류 측 및 하류 측이 접속된 저칼로리 가스 공급 설비에 있어서, 탱크보다 상류 측의 저칼로리 가스 공급 통로와 탱크보다 하류 측의 저칼로리 가스 공급 통로 사이에 귀환 통로가 접속될 수 있다. 상기 귀환 통로에는, 연료 가스를 탱크보다 상류 측의 저칼로리 가스 공급 통로를 향하여 압송하는 가스 압송 장치가 설치될 수 있다.
상기한 저칼로리 가스 공급 통로와 탱크를 접속하는 입구 통로 및 출구 통로를 가지는 저칼로리 가스 공급 설비에 있어서, 저칼로리 가스 공급 통로에서의 출구 통로와의 접속점보다 하류 측과, 저칼로리 가스 공급 통로에서의 입구 통로와의 접속점보다 상류 측과의 사이에는 귀환 통로가 접속될 수 있다. 상기 귀환 통로에는 연료 가스를 상류 측 저칼로리 가스 공급 통로를 향하여 압송하는 가스 압송 장치가 설치될 수 있다.
상기 탱크의 내부에는 가스를 교반하기 위한 교반 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 저칼로리 가스 공급 설비는,
저칼로리 가스를 연료 가스로서 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와,
상기 저칼로리 가스 공급 통로에서의 상류 부분과 하류 부분 사이에 접속된 귀환 통로를 구비하고,
상기 귀환 통로에, 저칼로리 가스 공급 통로를 흐르는 가스의 일부를 저칼로리 가스 공급 통로의 하류 부분으로부터 상류 부분을 향하여 압송하는 가스 압송 장치가 설치된다.
본 발명에 의하면, 프로세스 부생 가스와 같이 칼로리가 변동될 수 있는 저칼로리 가스를 가스 터빈에 공급하는 설비가, 저렴한 설비 비용 및 운전 비용에 의해 실현된다. 연료 가스로서 이용할 수 있는 저칼로리 가스의 칼로리 상승을 억제하기 위하여, 대량이면서 일정량의 질소 가스를 포함하는 공기를 용이하여 대량으로 입수할 수 있기 때문이다.
첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 저칼로리 가스 공급 설비, 이를 구비한 가스 터빈 설비 및 가스 터빈 연료용 저칼로리 가스의 발열량의 상승을 억제하는 방법의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 저칼로리 가스 공급 설비(1)를 포함한 가스 터빈 설비를 개략적으로 나타내는 배관도이다. 가스 터빈 설비로서는 가스 터빈 발전 설비를 예시하고 있다. 전술한 바와 같이, 저칼로리 가스를 그 발열량이 약 12MJ/N㎥ 이하의 가스로 정의한다. 저칼로리 가스는 그의 칼로리 등의 특성이 변동하는 경우가 많다.
상기 저칼로리 가스 공급 설비(1)는, 직접 환원 제철 설비(S)에서 발생한 부생 가스(이하, '저칼로리 가스'라고 한다)를 가스 터빈(2)에 연료로서 공급하는 저칼로리 가스 공급 배관(3)과, 이 저칼로리 가스를 희석하기 위하여 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 배관(4)과, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 배관(5)을 구비하고 있다. 상기 저칼로리 가스 공급 설비(1)의 작동을 제어하기 위해, 제어 장치(50)가 설치된다. 본 실시예에서는 불활성 가스로서 질소 가스(N2)를 사용하고 있기 때문에, 이 불활성 가스 공급 배관을 N2 공급 배관(5)이라고 한다. 불활성 가스로서는 N2에 한정되지 않고, CO2나 헬륨(He) 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 공기 공급 배관(4) 및 N2 공급 배관(5)이 제2혼합기(7)에 접속하고 있고, 제2혼합기(7)로부터 저칼로리 가스 공급 배관(3)까지는 공기와 N2의 공통 배관이 접속되어 있다. 이 공통 배관을 희석 가스 공급 배관(8)이라고 한다. 상기 희석 가스 공급 배관(8)은 제1혼합기(6)에 의해서 저칼로리 가스 공급 설비(1)에 접속되어 있다. 공기 공급 배관(4)과 N2 공급 배관(5)을 합류시키지 않고 각각(4, 5)을 직접 제1혼합기(6)에 접속할 수도 있으나, 설비 비용의 저감을 위해서는 도시된 것과 같이 양자(4, 5)를 미리 접속해 두는 것이 바람직하다. 또, 제2 혼합기(7)를 이용하지 않고 공기 공급 배관(4) 및 N2 공급 배관(5) 끼리 직접 접속할 수도 있다. 그러나 제1혼합기(6)에서의 부생 가스와 희석 가스의 혼합성을 양호하게 하기 위하여, 미리 희석용 공기와 N2를 균일하게 혼합한 혼합 가스를 제1혼합기(6)에 보내는 것이 바람직하므로, 제2혼합기(7)를 개재하여 접속하는 것이 바람직하다.
상기 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 제1혼합기(6)보다 상류 부분에는, 직접 환원 제철 설비(S)로부터 유입되는 저칼로리 가스를 제진(除塵)하기 위한 제진 장치(9)와, 저칼로리 가스를 1차로 저장(貯留)하기 위한 버퍼 탱크(10)가 설치되어 있다. 버퍼 탱크(10)는 비교적 대용량이고, 시시각각으로 칼로리 변동하면서 저장되는 저칼로리 가스가 상기 버퍼 탱크(10)의 내부에서 혼합된다. 그 효과에 관해서는 후술한다. 버퍼 탱크(10)의 하류 측에는 저칼로리 가스의 발열량을 검출하기 위한 발열량 검출 장치(11)와 유량을 계측하기 위한 유량계(12)가 설치되어 있다. 상기 유량계(12)의 설치 위치는 제1혼합기(6)의 상류 측에 한정되지 않는다. 제1혼합기(6)의 하류 측에 설치될 수 있다. 예를 들면, 후술하는 고압 압축기(17)와 연소기(19) 사이에 설치될 수 있다.
발열량 검출 장치(11)의 설치 위치는, 버퍼 탱크(10)의 하류 측에만 한정되지 않는다. 예를 들면 버퍼 탱크(10)의 상류 측일 수도 있다. 버퍼 탱크(10)의 상류 측에서 가스의 칼로리 변동을 사전에 검지하는 것에 의해, 제1혼합기(6)를 사용한 발열량 제어를 더욱 확실하게 행할 수가 있다. 또한, 버퍼 탱크(10)의 상류 측 과 더불어 하류 측에도 발열량 검출 장치를 설치하고, 양 발열량 검출 장치에 의해서 버퍼 탱크(10)의 가스 칼로리 변동 억제 효과를 감시하는 것에 의해, 버퍼 탱크(10)에서의 가스 혼합 작용을 병용한 칼로리 변동 제어 시스템의 종합적 성능을 파악할 수가 있다. 해당 발열량 검출 장치는 버퍼 탱크(10)에 직접 설치하는 것도 가능하다. 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 상기 발열량 검출 장치(11)에 더하여 버퍼 탱크(10)에 별도의 발열량 검출 장치를 설치할 수도 있다.
여기서, 발열량 검출 장치(11)로서는, 가스의 발열량을 직접 계측하는 이른바 '칼로리미터', 가연 성분의 함유율(농도)을 계측하는 장치 등이 이용된다. 상기 발열량 검출 장치(11)는 버퍼 탱크(10)에 직접 설치하는 것도 가능하다. 저칼로리 가스 공급 배관(3) 상의 발열량 검출 장치(11)에 더하여 버퍼 탱크(10)에 별도의 발열량 검출 장치를 설치할 수 있다. 검출 속도를 중요시하는 경우는 현재로서는 가연성 가스 농도 검출기를 이용하는 것이 바람직하다. 적용되는 저칼로리 가스가 주로 포함하는 가연 성분의 종류나 주된 농도 변동이 생기는 가연 성분(예를 들면, 직접 환원 제철법에서의 부생 가스로서는 일산화탄소)에 대응하여, 그 성분의 농도를 검출하는 농도 검출기를 이용할 수도 있다. 본 명세서에서는 이들 발열량 검출 장치 전체를 대표하여 「칼로리미터」라고 한다.
저칼로리 가스 공급 배관(3)의 제1혼합기(6)보다 하류 부분은, 저칼로리 가스가 공기나 N2와 혼합된 상태로 가스 터빈(2)까지 보내지기 때문에, 이 범위의 배관을 혼합 가스 공급 배관(13)이라고 한다. 혼합 가스 공급 배관(13)에는 칼로리미 터(14)와 혼합 가스 중의 산소 농도를 계측하기 위한 산소 농도계(15)가 설치되어 있다. 산소 농도계(15)의 하류 측에는 가스 터빈(2)의 저압 연료 가스 압축기(이하, '저압 압축기'라고 한다)(16)와 고압 연료 가스 압축기(이하, '고압 압축기'라고 한다)(17)가 차례로 설치되어 있다. 양 압축기(16, 17) 사이에는 연료 가스인 혼합 가스를 냉각하기 위한 냉각기(18)가 설치되어 있다. 고압 압축기(17)로부터 가스 터빈(2)의 연소기(19)에 접속된 연료 배관(13a)에는 터빈 출력을 조정하기 위한 유량 조정 밸브(이하, '유량 조절 밸브'라고 한다)(20)가 설치되어 있다. 참조 부호 '21'은 연소기(19)로 공기를 공급하는 배관에 설치된 필터이다. 가스 터빈(2)에는 발전기(22)가 연결되어 있다.
도 1은 양 압축기(16, 17)와 함께 터빈(2)에 의해서 회전 구동되는 형태의 것을 나타내고 있으나, 이것에 한정되지 않고, 양 압축기(16, 17)가 터빈(2)과 동일한 축으로 연결되지 않고, 전용의 모터에 의해서 구동되도록 구성할 수도 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 가스 터빈에는 그 배기 가스를 이용하여 발전하는 배기열 회수(排熱回收) 보일러 발전 설비 등을 설치할 수 있다.
다음으로, 공기 공급 설비에 관하여 설명한다. 공기 공급 배관(4)에는, 외부로부터 공기를 취입하는 입구에 필터(23)가 설치되어 있다. 공기 공급 배관(4)의 필터(23)에 의해 하류 부분은 분기되고, 외부로부터 공기를 흡입하여 공기 공급 배관(4) 내를 압송하기 위한 구동원인 팬(24)이 유지보수(maintenance)시 등의 편의를 위하여 병렬로 2대 설치되어 있다. 각 팬(24)의 하류 측에는 팬(24) 측으로의 역류 방지를 위해 역류 방지 밸브(25)가 설치되어 있다. 공기 공급 배관(4)은, 양 역류 방지 밸브(25)의 하류 측에서 다시 일체로 통합된다. 그 하류 부분에는 스톱 밸브(26), 유량계(27) 및 유량 조절 밸브(28)가 차례로 설치되어, 제2혼합기(7)에 접속되어 있다. 공기 공급 배관(4)의 상기 스톱 밸브(26)와 유량계(27) 사이에는, 공기를 대기로 방출하기 위한 공기 방출 배관(29)이 설치되어 있다. 이 공기 방출 배관(29)에는 유량 조절 밸브(30)가 설치되어 있다.
다음으로, N2 공급 설비에 관하여 설명한다. N2 공급 배관(5)은, 상류 측으로부터 차례로 스톱 밸브(31), 유량계(32) 및 유량 조절 밸브(33)를 구비하고 있고, 제2혼합기(7)에 접속되어 있다. 제2혼합기(7)로부터 제1혼합기(6)에 이르는 희석 가스 공급 배관(8)에는, 그의 상류 측으로부터 차례로 스톱 밸브(34)와 역류 방지 밸브(35)가 설치되어 있다. 역류 방지 밸브(35)는 저칼로리 가스가 희석 가스 공급 배관(8)으로 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 희석 가스 공급 배관(8)의 스톱 밸브(34)의 상류 측 부분과 상기 공기 방출 배관(29)의 유량 조절 밸브(30)의 하류 측 부분 사이에는, 공기와 N2의 혼합기를 공기 방출 배관(29)을 통해서 대기로 방출하기 위하여 연락관(36)이 접속되어 있다. 이 연락관(36)에는 유량계(37)와 유량 조절 밸브(38)가 설치되어 있다. 공기 공급 배관(4) 및 N2 공급 배관(5)이 별도의 배관으로 각각 제1혼합기(6)까지 연장설치되어 있는 경우는, 각 배관(4, 5)에 스톱 밸브나 역류 방지 밸브가 각각 설치되고, 연락관(36)은 제거된다. 그 대신에, N2 공급 배관(5)에서의 스톱 밸브(31)와 유량계(32) 사이에, 유량 조절 밸브를 구비한 N2 방출 배관이 설치된다.
다음으로, 제어 장치(100)에 의한 본 설비의 운전 제어의 일례를 설명한다. 우선, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 칼로리미터(11)와 유량계(12)를 감시하면서 저칼로리 가스를 가스 터빈(2)을 향하여 압송한다. 이때, 이미 공기 공급 배관(4)에서는 그의 스톱 밸브(26)를 열어서 유량 조절 밸브(28)를 닫고, 연락관(36)의 유량 조절 밸브(38)를 닫고, 공기 방출 배관(29)의 유량 조절 밸브(30)를 연 상태에서 팬(24)이 작동하고 있다. 결국, 공기가 흡인되어 공기 방출 배관(29)으로부터 대기로 방출되고 있다. N2 공급 배관(5)의 유량 조절 밸브(33)는 닫혀져 있다. 다른 스톱 밸브(31, 34)는 모두 열려 있다.
제어장치(50)에는, 각 가스 터빈(2)의 연료 가스의 사용상 허용 칼로리 범위가 설정되어 있다. 즉, 기준 칼로리 값(예를 들면, 1600㎉/N㎥)과 변동폭(예를 들면, 기준 칼로리 값의 ±10%)이다. 그리고 상기 저칼로리 가스의 칼로리 값이 상기 허용 변동의 상한 칼로리 값(예를 들면 +10%이고, 1760㎉/N㎥)을 초과할 때에는, 공기 공급 배관(4)의 유량 조절 밸브(28)가 열리도록, 공기 방출 배관(29)의 유량 조절 밸브(30)를 닫힘 방향으로 조정한다. 이것에 의해 저칼로리 가스에 공기를 혼합하여 칼로리 값을 허용 범위 이내로 떨어트린다. 공기를 공급할 때 및 후술하는 N2를 공급할 때는, 상기 칼로리미터(11) 및 유량계(12)의 감시와 더불어, 최종적인 칼로리 값이 적정한지를 판단하기 위하여 혼합 가스 공급 배관(13)의 칼로리미터(14)를 감시한다. 공기를 공급할 때에는, 후술하는 바와 같이 혼합 가스 공급 배 관(13)의 산소 농도계(15)에 의해서 연료 가스의 산소 농도를 감시한다.
혼합 가스 공급 배관(13)의 칼로리미터(14)의 계측 결과로부터, 최대한의 공기 공급에 의해서도 여전히 칼로리 값이 허용 범위에 들지 않은 것으로 판단한 때에는, N2 공급 배관(5)의 유량계(32)를 감시하면서, 유량 조절 밸브(33)를 열도록 조정하는 것에 의해 N2를 저칼로리 가스에 혼합하여 칼로리 값을 허용 범위 이내로 떨어트린다. 이때에는, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 유량계(12)도 감시하면서 공기 방출 배관(29)의 유량 조절 밸브(30)를 열림 방향으로 조정하여 공기를 방출하여 그의 혼합량을 감소시킨다. 이상과 같이, 저칼로리 가스의 칼로리가 허용 상한치를 초과하는 것을 방지한다.
다음으로, 희석 가스 공급 배관(8)으로부터 공기 방출 배관(29)으로 연락관(36)을 접속하여 N2 또는 N2와 공기의 혼합기(희석 가스)를 대기로 방출하도록 구성한 점에 관하여 설명한다. 희석 가스의 양은 통상적으로는 유량 조절 밸브(28, 33)에 의해서 제어된다. 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 칼로리미터(11)의 검출 값이 급격하게 감소한 경우, 상기 유량 조절 밸브(28, 33)에 의한 제어에서는 그 응답성에 문제가 생길 가능성도 있다. 이와 같은 경우, 연락관(36)의 유량 조절 밸브(38)에 의해 희석 가스의 일부를 대기로 방출(放散)하는 것에 의해, 희석 가스의 공급량을 급격히 감소시켜서 칼로리 값의 급감에 대응한다.
공기에는 약 21%의 산소가 포함되어 있으므로, 공기를 저칼로리 가스에 혼합하면 이 혼합 가스의 산소 함유량(산소 농도)이 상승한다. 가연(可燃) 가스 중에 소정 비율의 산소가 포함된 경우, 이론적으로는 소정 온도에서 해당 가연 가스가 가연 범위 내에 들어간다. 이와 같은 상황에 빠지기 전에 공기의 공급량을 제한하지 않으면 안 된다. 그때에도 여전히, 저칼로리 가스의 칼로리 값을 낮출 필요가 있을 때에는, 전술한 바와 같이, 저칼로리 가스의 공기 혼합량을 감소시키면서 N2를 공급하여 혼합시킨다.
도 2에는 저칼로리 가스와 공기의 혼합 가스에 관하여, 그 가연 한계를 저칼로리 가스의 용적 비율과 온도의 관계로 나타내고 있다. 도면 중 좌측의 둥근 흑점을 이은 곡선은, 혼합 가스의 가연 범위 중, 저칼로리 가스의 최소 용적 비율(공기의 최대 용적 비율)을 나타낸다. 우측의 사각형 흑점을 이은 곡선은, 혼합 가스의 가연 범위 중, 저칼로리 가스의 최대 용적 비율(공기의 최소 용적 비율)을 나타낸다. 양 곡선 사이에 위치하는 범위가 가연 범위이다. 저칼로리 가스의 칼로리 값은 변동하므로 상기 양 곡선도 변동한다. 따라서, 제어 장치(100)에는, 이와 같은 데이터에 기초하여, 안전율을 고려한 후에 공기의 최대 허용 혼합 용적률이 설정되어 있다. 예를 들면 도 2에 나타난 바와 같이, 공기의 용적 비율 20%(저칼로리 가스의 용적 비율 80%)이다. 우측의 사각형 흑점을 이은 곡선으로 나타낸 공기의 최소 용적 비율보다도 더 작은 비율(20%)로 설정되어 있다. 단, 이 수치는 일례이다.
그리고 공기의 용적 비율이 예를 들면 상한치(20%)보다 약간 작게, 예를 들면 15%를 초과하면, 전술한 대로 공기의 혼합량을 감소시키고, 필요에 부응하여 N2를 공급하는 것이다. 이 제어는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 유량계(12) 및 공기 공급 배관(4)의 유량계(27)의 검출 결과에 기초하여 행해진다.
다음으로, 도 1에 도시된 버퍼 탱크(10)의 작용 효과에 관하여 설명한다. 도시된 바와 같이, 상기 버퍼 탱크(10)에는, 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되는 입구(10a)와, 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되는 출구(10a)가 형성되어 있다. 따라서, 저칼로리 가스의 전부가 상기 버퍼 탱크(10)로 유입된다. 도 1의 버퍼 탱크(10)에서는, 그의 입구(10a) 및 출구(10b)는 탱크 둘레 벽의 하단 근방에 형성되어 있으나, 특별히 이들 형성 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 입구(10a) 및 출구(10b)는 탱크 둘레 벽의 중간부, 상부, 탱크의 바닥부 등에 형성될 수 있다.
상기 버퍼 탱크의 용적은 예를 들면 직경이 2∼3m 정도의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 용적이 통상 20,000∼200,000㎥ 정도의 것이 설치된다. 시시각각 칼로리가 변동하면서 유입되는 저칼로리 가스는 버퍼 탱크 안에서 혼합된다. 본 명세서에서 언급하는 탱크 안에서의 가스 혼합이란, 말하자면 시간차(時間差)의 혼합을 의미한다. 즉, 동시에 버퍼 탱크(10)에 유입된 저칼로리 가스는, 비교적 빨리 출구(10b)에서 유출하는 부분으로부터 늦게까지 버퍼 탱크(10) 내에 체류하는 부분까지 분포된다. 한편, 입구(10a)로부터는 연속하여 새로운 가스가 유입되고 있기 때문에, 과거에 유입된 가스와 새로이 유입된 가스가 끊임없이 혼합된다. 이것을 시간차 혼합이라고 말한다. 이 시간차 혼합의 결과, 버퍼 탱크(10)의 출구(10b)로부터 나가는 저칼로리 가스의 칼로리 변동폭은 축소되고, 변동 속도도 저하된다. 즉, 칼로리 변동이 크게 완화(억제)된다. 이와 같이 칼로리 변동이 사전에 완화되 면, 하류에서 공기 등의 희석에 의한 칼로리 상승 억제 제어가 매우 용이해진다. 이상의 현상을 도 3 내지 도 8 및 도 11 내지 도 14를 참조하면서 설명한다.
도 3은 도 1 중의 버퍼 탱크(10)의 용적을 200,000㎥로 한 때에, 칼로리 변동하는 저칼로리 가스가 유량 500,000N㎥/hr로 공급된 경우의 칼로리 변동의 완화(억제) 상태의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 횡축은 시간(분)을 나타내고, 종축은 저칼로리 가스의 발열량인 가스 칼로리 값(㎉/N㎥)을 나타내고 있다. 또, 도면 중에 점선으로 표시한 곡선은 버퍼 탱크(10)로 유입되는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(고유 변동)을 나타내고 있다. 이것은 실제 측정한 하나의 샘플이다. 실선으로 표시한 곡선은 버퍼 탱크(10)로부터 유출되는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(억제 후 변동)을 나타내고 있다. 도시한 것과 같이, 버퍼 탱크(10)에 들어가기 전의 저칼로리 가스의 칼로리는 최저 약 1,530㎉/N㎥으로부터 최고 약 2,360㎉/N㎥까지 변동하고 있다. 요컨대, 이들 두 값의 평균치(이하, 간략히 '평균치'라고 한다)(1945㎉/N㎥)의 약 ±21%의 변동폭을 가진다. 버퍼 탱크(10)로부터 유출되는 저칼로리 가스의 칼로리 변동을 계산한 결과에 의하면, 최저 1,780㎉/N㎥으로부터 최고 1,960㎉/N㎥까지이고, 변동폭은 평균치(1,870㎉/N㎥)의 약 ±5%까지 억제되고 있다. 도시한 것과 같은 변동 주기에 관해서도 단주기(短周期) 성분 및 중주기(中周期) 성분이 대폭 억제되고 있다. 이 결과는 저칼로리 가스의 공급 유량에 대하여 버퍼 탱크의 용적이 클수록 현저해지는 경향이 있다. 고유 변동의 변동폭이 작은 경우는 경제성의 측면에서 버퍼 탱크의 용적을 작게 하여도 효과가 있다.
도 4에는 저칼로리 가스의 유량을 500,000N㎥/hr로 한 채, 버퍼 탱크(10)의 용적을 상기의 것의 절반인 100,000㎥으로 한 때의 칼로리 변동의 감쇄 상태가 나타나 있다. 이 경우의 칼로리 변동도 버퍼 탱크(10)에 의해서 1,700㎉/N㎥으로부터 2,040㎉/N㎥까지의 범위로 억제되고 있고, 변동폭은 평균치(1,970㎉/N㎥)의 약±9%이다.
도 5는 저칼로리 가스가 유량 200,000N㎥/hr로 공급되는 설비에서 버퍼 탱크(10)의 용적을 50,000㎥으로 했을 때의, 칼로리 변동의 감쇄 상태를 나타내고 있다. 이 경우의 칼로리 변동도 버퍼 탱크(10)에 의해서 1,740㎉/N㎥으로부터 2,010㎉/N㎥까지의 범위로 억제되고 있고, 변동폭은 평균치(1,875㎉/N㎥)의 약±7.2%이다.
도시하지 않았지만, 저칼로리 가스가 상기와 같이 유량 200,000N㎥/hr로 공급되는 설비에 있어서, 버퍼 탱크(10)의 용적을 상기의 절반인 25,000㎥으로 했을 때에는, 변동폭은 평균치(1,875㎉/N㎥)의 약±12%가 된다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 저칼로리 가스가 유량 200,000N㎥/hr로 공급되는 설비에 있어서, 용적이 25,000㎥의 버퍼 탱크(10)를 병렬로 2대 설치해 두고, 통상 운전 시에는 2대 모두 사용하고, 정기 점검이나 작동 불량 시 등의 비정상 사태에는 어느 한쪽의 탱크만을 사용할 수도 있다.
이와 같이, 버퍼 탱크를 갖추는 것만으로, 적극적인 제어를 하는 일 없이 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 크게 억제된다. 그 결과, 하류에서 공기나 불활성 가스를 혼합하는 제어가 매우 용이하게 이루어진다. 예를 들면, 가스 터빈(2)의 연료 가스의 칼로리 변동폭이 기준 칼로리 값(평균치)의 ±10%로 설정되어 있는 경우라 면, 버퍼 탱크의 하류에서는 변동하는 칼로리의 평균치를, 가스 터빈(2)에 설정된 기준 칼로리 값과 일치시키기 위하여, 그 시방(示方)에 알맞은 용적의 버퍼 탱크를 갖추어 일정 비율의 공기를 하류 측에서 공급하는 것만으로 양호해진다. 공기의 공급 동작에 관해서는 저칼로리 가스의 칼로리 변동의 양태를 고려할 필요가 없어진다.
극단적인 경우, 버퍼 탱크(10)를 통과한 후의 저칼로리 가스의 변동하는 칼로리의 평균치가, 가스 터빈(2)에 설정된 기준 칼로리 값과 거의 일치하고 있다면, 공기 공급 설비나 불활성 가스 공급 설비는 필요 없어진다. 양 설비가 설치되어 있는 경우이더라도, 도 1의 희석 가스 공급 배관(8)의 스톱 밸브(34)를 닫은 상태에서 설비를 운전하는 것이 바람직하다. 당연히, 발생한 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 본래 크지 않은 경우는, 버퍼 탱크의 설치는 필요치 않고, 공기 공급 설비나 불활성 가스 공급 설비만으로 충분히 대응 가능하다.
도 7에는 다른 버퍼 탱크(42)가 나타나 있다. 이 버퍼 탱크(42)는 종래의 가스 터빈 설비에 사용되는 것으로, 가스량 밸런스를 감시하는 장치(40)에 포함되는 것이다. 이 가스량 밸런스 감시 장치(40)는, 상류 측으로부터 유입되는 저칼로리 가스의 양과 가스 터빈에서 필요로 하는 소비 가스량과의 밸런스를 취하기 위한 것이다. 공급 가스량의 변동이나 가스 터빈의 부하 변동이 있을 경우, 공급량과 소비량 사이에서 밸런스를 취할 필요가 있다. 공급량이 예상외로 과잉이 되었을 때에는 대기로 방출하고, 공급 부족이 되었을 때에는 가스 터빈의 부하를 낮추거나 일부의 운전을 정지하기도 한다.
상기 가스량 밸런스 감시 장치(40)는, 연통관(41)에 의해서 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 접속된 탱크(42)와, 탱크(42)의 상단 개구를 기밀(氣密)하게 밀폐함과 더불어 탱크 안을 상하 이동 가능하게 설치된 뚜껑 부재(43), 및 뚜껑 부재(43)에 설치된 조정용 추(44)를 구비하고 있다. 뚜껑 부재(43)는, 자중과 상기 추(44)의 중량과 대기압에 의한 눌러 내리는 힘의 총계와, 탱크(42)의 내압(內壓)에 의한 밀어 올리는 힘과의 밸런스에 의해서 탱크 안을 상하 이동한다. 따라서, 저칼로리 가스의 공급량과 소비량과의 밸런스 변화에 대응하여 뚜껑 부재(43)가 상하로 이동한다. 상기 뚜껑 부재(43)의 상하 이동을 감시하면서 가스의 대기 방출이나 터빈 부하의 저하 등의 조치를 취한다.
상기 가스량 밸런스 감시 장치(40)는 칼로리 변동 억제를 위하여 이용하는 것이다. 상기 탱크(42)에는, 상기 연통관(41) 이외에 새롭게 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 연통하는 입구 배관(45)이 접속되어 있다. 상기 입구 배관(45)에는 저칼로리 가스를 탱크(42)로 보내주는 팬(39)이 설치되어 있다. 입구 배관(45)은 연통관(41)보다 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측에 접속되어 있으므로, 압력 손실을 고려한 배관 설계에 의해서 상기 팬(39)을 생략할 수도 있다. 이것은 도 8 및 도 12에 나타낸 상류 측 입구 배관(45)에 대해서도 마찬가지이다. 공급되는 저칼로리 가스의 일부는 입구 배관(45)을 통하여 탱크(42)로 유입되고, 탱크(42) 안에서 저칼로리 가스가 혼합되며, 동일한 양의 가스가 상기 연통관(41)을 통하여 탱크(42)로부터 저칼로리 가스 공급 배관(3)으로 되돌아간다. 이 경우 상기 연통관(41)은 출구 배관으로 기능한다. 상기 버퍼 탱크(42)는 저칼로리 가스 공급 배 관(3)의 바이패스(bypass) 배관을 구성하는 입구 배관(45)과 출구 배관(41)에 접속되어 있고, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 병렬로 설치되어 있다.
도 8에는, 칼로리 변동 억제 수단으로서 이용할 수 있는 다른 가스량 밸런스 감시 장치(46)가 나타나 있다. 상기 가스량 밸런스 감시 장치(46)는, 더욱 경제적인 구성을 취하고 있고, 연통관(41)에 의해서 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 연통된 기밀 구조의 탱크(46a)를 구비하고 있다. 탱크(46a)에는 압력 검출 장치(47)가 설치되고, 탱크(46a)의 내압이 항상 감시된다. 제어 장치(100)는, 검출 압력이 상한 구역에 도달하면 설비 내의 가스 소비량을 증가하는 지령을 내려, 가스의 수급 밸런스를 취한다. 그 이외의 구조는 전술한 장치(40)(도 7)와 동일하고, 칼로리 변동 억제 수단으로서 충분히 이용 가능하다.
도 9는 칼로리 변동하는 저칼로리 가스가 유량 500,000N㎥/hr로 공급되는 설비에 있어서, 도 7 또는 도 8 중의 탱크(42)(46a)의 용적을 200,000㎥으로 하고, 상기 팬(39)에 의해서 500,000N㎥/hr의 유량 중 200,000N㎥/hr의 가스를 탱크(42)(46a)로 보내는 경우의 칼로리 변동의 완화 상태를 나타낸다. 도면 중에 점선으로 표시한 곡선은 직접 환원 제철 설비(S)로부터 공급되는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(고유 변동)을 나타내고 있다. 이것은 전술한 실제 측정 샘플이다. 이점 쇄선으로 표시한 곡선은 탱크(42)로부터 유출되어 상기 연통관(41)을 통과하는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(과도(過渡) 변동)의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 실선으로 나타낸 곡선은, 연통관(41)보다 하류의 저칼로리 가스 공급 배관(3) 부분을 통하여 제1혼합기(6)에 이르는 가스의 칼로리 변동(억제 후 변동)을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 탱크(42)(46a)에 들어가기 전의 저칼로리 가스의 칼로리는 평균치(1945㎉/N㎥)의 약 ±21%의 변동폭을 가진다. 그런데 탱크(42)로부터 연통관(41)을 통해서 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 합류한 후의 가스의 칼로리 변동은, 1,690㎉/N㎥으로부터 2,100㎉/N㎥까지이고, 변동폭은 평균치(1, 895㎉/N㎥)의 약 ±11%까지 억제되고 있다. 이 수치는 일례이다.
이와 같이, 탱크(42)(46a)를 구비하는 기존 설비를 이용하여 가스 칼로리 변동을 억제하는 것도 가능하다. 그리고 하류에서 공기에 의한 저칼로리 가스의 희석을 용이하게 행할 수 있게 된다. 또한, 도 7 및 도 8에서는, 저칼로리 가스를 탱크(42)(46a)로 보내는 입구 배관(45)이, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 출구 배관(41)보다 상류 측에 접속되어 있으나, 특별히 이러한 구성에 한정되지 않고, 출구 배관(41)보다 하류 측에 접속될 수도 있다. 또, 양 관(41, 45) 모두 복수 라인으로 설치할 수 있다.
도 10에는 다른 칼로리 변동 억제 수단이 나타나 있다. 이 수단은, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 설치되고, 저칼로리 가스의 일부를 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측으로 되돌리기 위한 귀환 배관(48)이다. 이 귀환 배관(48)에는 저칼로리 가스를 상류 측으로 압송하는 팬(49)이 설치되어 있다. 도시한 귀환 배관(48)은 1개소의 흡인부로부터 복수 라인의 지관(48a)으로 분기하여 이전의 저칼로리 가스 공급 배관(3)으로 반송되도록 구성되어 있으나, 1라인의 귀환 배관으로 구성할 수도 있다. 또, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상이한 복수 부위에 각각 1라인의 귀환 배관을 설치할 수도 있다. 이러한 수단에 의해서도, 저칼로리 가스는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류로 귀환된 때에 새로운 저칼로리 가스와 혼합하여 칼로리 변동이 완화된다. 이 작용을 증대하려면, 귀환 배관(48)을 길이를 길게 하고, 공급 가스량에 대한 귀환 가스량의 용적 비율을 크게 하면 된다.
도시하지 않았지만, 도 7에 나타낸 것과 동일한 가스량 밸런스 감시 장치(40)용 버퍼 탱크(42)를 도 1에서의 내부 용적 고정형 버퍼 탱크로 교체한 형태로 구성할 수도 있다. 즉, 도 7의 버퍼 탱크(42)는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 바이패스 배관을 구성하는 입구 배관(45)과 연통관(41)에 접속되어 있으나, 이 버퍼 탱크(42)를 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 직접 접속하는 것이다. 구체적으로는, 버퍼 탱크(42)에 형성된 입구에 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측을 직접 접속하고, 출구에 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측을 직접 접속한다.
도 11에는, 상기와 같은 배관 형태와 실질적으로 동일한 배관의 형태가 도시되어 있다. 도 11의 버퍼 탱크(42)는 도 7에 나타낸 것과 동일한 가스량 밸런스 감시 장치(40)용의 버퍼 탱크(42)이다. 다른 점은 저칼로리 가스 공급 배관(3)을 접속하는 배관의 형태이다. 도 11의 배관의 형태는, 도 7의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의, 입구 배관(45)과의 접속부로부터 연통관(41)과의 접속부까지의 부분을 제거하고, 입구 배관(45) 상의 팬(39)을 제거한 것이다. 즉, 입구(42a)에 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되고, 출구(42b)에 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, 도 1에 나타낸 버퍼 탱크(10)를 가스량 밸런스 감시 장치(40)용 탱크(42)로 교체한 것이다. 이러한 배관은, 기존의 가스량 밸런스 감시 장치(40)를 가스 칼로리 변동 억제 장치로서 겸용하고자 할 때 에 용이하게 개조할 수 있는 형태이다.
또한, 도시한 것과 같이, 상기 탱크(42)의 내부에는 가스를 교반하기 위하여 팬 등의 교반 장치(51)가 설치될 수 있다. 탱크 안에서 가스의 혼합을 촉진하고, 이에 의해 보다 효과적인 칼로리 변동 억제를 실현하기 때문이다. 교반 장치(51)의 설치 형태로서는, 탱크의 출구(42b) 근방으로부터 가스를 탱크 안쪽을 향해 흘려보낼 수 있도록 출구(42b) 근방에 설치하는 것이 가스의 효과적인 혼합이라고 하는 관점에서 바람직하다. 상기 교반 장치(51)를, 도 11의 탱크(42)로 한정하지 않고, 다른 도면에 나타낸 탱크(10, 42, 46a)나, 칼로리 억제 효과를 발휘할 수 있는 다른 탱크에 대하여도 설치하는 것이 가능하다. 또한, 교반 장치(51)의 회전 구동기로서의 전동 모터(51a) 등은 탱크의 외부에 설치해 두는 것이 바람직하다.
도 12에도 도 7의 탱크와 동일한 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 병렬로 설치된 버퍼 탱크(42)가 도시되어 있다. 도시된 것과 같이, 탱크(42)의 출구(42b)와 저칼로리 가스 공급 배관(3) 사이에는 출구 배관(41)이 접속되고, 탱크(42)의 입구(42a)와 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 있어서의 출구 배관(41)의 접속부보다 상류 측과의 사이에는 입구 배관(45)이 접속되어 있다. 따라서, 상기 입구 배관(45)을 상류 측 입구 배관(45)이라고 부른다. 한편, 상기 탱크(42)에는 새로운 입구(52a)가 형성되고, 상기 입구(52a)에, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 있어서의 출구 배관(41)과의 접속부보다 하류 측에 접속된 입구 배관(52)이 접속되어 있다. 상기 입구 배관(52)을 하류 측 입구 배관(52)이라고 부른다. 양 입구 배관(45, 52)에는 저칼로리 가스를 탱크(42)로 보내는 팬(39)이 설치되어 있다. 도시 된 것과 같이, 상류 측 입구 배관(45) 및 하류 측 입구 배관(52)의 탱크(42)로의 접속 위치(입구(42a, 52a))는 서로 근접하고 있다.
본 구조에 의하면, 탱크(42)에는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측으로부터 상류 측 입구 배관(45)을 통하여 저칼로리 가스의 일부가 압송되고, 동시에 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 하류 측 입구 배관(52)을 통하여 저칼로리 가스의 일부가 압송된다. 상기 각 압송된 저칼로리 가스는 혼합되어 출구(42b)로부터 출구 배관(41)으로 유출된다. 결국, 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부가 순환하기 때문에, 탱크 내에서 장시간에 걸쳐 혼합이 실현된다. 하류 측 입구 배관(52)의 길이를 길게 할수록 혼합되는 가스의 체류 시간이 길어져 한층 바람직한 혼합이 실현된다. 상기 하류 측 입구 배관(52)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 탱크(42)의 입구(52a)에 접속되어 있으나, 하류 측으로부터, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측 입구배관(45)과의 접속부보다 상류 측에 접속할 수도 있다.
도 13에도 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 병렬로 설치된 버퍼 탱크(42)가 나타나 있다. 도시된 것과 같이, 탱크(42)와 저칼로리 가스 공급 배관(3) 사이에는, 출구 배관으로서의 상기 연통관(41)과 하류 측 입구 배관(52)이 접속되어 있다. 상기 하류 측 입구 배관(52)에는 저칼로리 가스를 탱크(42)로 보내는 팬(39)이 설치되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 하류 측 입구 배관(52)이 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 있어서의 출구 배관(41)과의 접속부보다 하류 측에 접속되어 있어도, 저칼 로리 가스는 팬(39)보다 하류 측 입구 배관(52)을 통하여 탱크(42) 안으로 보내지고, 혼합되어 출구(42b)로부터 출구 배관(41)을 통하여 유출된다. 결국, 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부가 순환하기 때문에 효과적인 혼합이 이루어진다. 그리고 상기 하류 측 입구 배관(50)의 길이를 길게 할수록 탱크 안에서 더욱 장시간에 걸쳐서 혼합이 실현된다.
도 14에 나타낸 탱크(42)는 2종류의 입구(42a, 53a)를 가지고 있다. 한쪽의 입구(42a)에는 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되고, 출구(42b)에는 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되며, 더 나아가 다른 쪽의 입구(53a)에는 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 접속된 귀환 배관(53)이 접속되어 있다. 2개의 입구(42a, 53a)는 근접하여 형성되어 있다. 귀환 배관(53)에는 저칼로리 가스를 탱크로 보내기 위한 팬(39)이 설치되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 탱크(42)에서 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부는 재차 탱크(42)로 반송되어 재차 혼합되기 때문에, 한층 바람직한 혼합이 실현된다. 귀환 배관(53)의 길이를 길게 할수록 혼합되는 가스의 체류 시간이 길어진다. 상기 귀환 배관(53)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 탱크(42)의 입구(53a)에 접속되어 있지만, 하류 측으로부터, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 탱크보다 상류 측에 접속할 수도 있다.
이상 설명한 실시예에서는, 사용하는 저칼로리 가스로서 직접 환원 제철법에 의해서 발생하는 부생 가스를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 저칼로리 가스로서는, 용광로 가스(BFG), 전로(轉爐) 가스(LDG), 석탄층에 포함되는 석탄층 가스(Coal Mine Gas; 'CMG'라고 표시한다), 용융 환원 제철법에 의해서 발생하는 부생 가스, 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 원료를 화학 반응시키는 것에 수반하여 발생하는 부생 가스 등의 저칼로리 가스가 포함된다. 물론, 상기 가스를 단독은 물론, BFG와 LDG의 혼합 가스와 같이 복수의 이종(異種) 가스를 혼합한 결과 그의 발열량이 약 12MJ/N㎥ 이하로 이루어진 가스도 포함한다.
본 발명에 의하면, 그의 칼로리가 시시각각 변화하는 저칼로리 가스를, 대량이면서 채취가 용이한 공기에 의해서 희석하는 것에 의해, 연소 온도의 비정상적인 상승을 억제하여 안정 연소를 계속할 수가 있다. 즉, 저렴한 설비 비용 및 운전 비용에 의해서 상기 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 저칼로리 가스 공급 설비를 포함한 가스 터빈 발전 설비를 개략적으로 나타내는 배관도이다.
도 2는 저칼로리 가스와 공기의 혼합기의 가연 한계를, 횡축에 저칼로리 가스의 용적비율을 취하고, 종축에 온도를 취하여 표시한 그래프이다.
도 3은 도 1에서의 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해서 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 4는 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해서 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 다른 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해서 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 또 다른 예를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 7은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 8은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 9는 도 7 또는 도 8의 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해서 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 칼로리 변동 억제 수단의 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 11은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 12는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 13은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 14는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 저칼로리 가스 공급 설비 2: 가스 터빈
3: 저칼로리 가스 공급 배관 4: 공기 공급 배관
5: N2 공급 배관 6: 제1혼합기
7: 제2혼합기 8: 희석 가스 공급 배관
9: 집진 장치 10: 버퍼 탱크
11: 칼로리미터 12: 유량계
13: 혼합 가스 공급 배관 14: 칼로리미터
15: 산소 농도계 16: 저압 압축기
17: 고압 압축기 18: 냉각기
19: 연소기 20: 유량 조절 밸브
21: 필터 22: 발전기
23: 필터 24: 팬
25: 역류 방지 밸브 26: 스톱 밸브
27: 유량계 28: 유량 조절 밸브
29: 공기 방출관 30: 유량 조절 밸브
31: 스톱 밸브 32: 유량계
33: 유량 조절 밸브 34: 스톱 밸브
35: 역류 방지 밸브 36: 연락관
37: 유량계 38: 유량 조절 밸브
39: 팬 40: 가스량 밸런스 감시 장치
41: 연통관(출구 배관) 42: 탱크
43: 뚜껑 부재 44: 조정용 추
45: (상류 측)입구 배관 46: 가스량 밸런스 감시 장치
46a: 탱크 47: 압력 검출 장치
48: 귀환 배관 49: 팬
50: 제어 장치 51: 교반 장치
52: (하류 측)입구 배관 53: 귀환 배관
S: 직접 환원 제철 설비

Claims (6)

  1. 저칼로리 가스를 연료 가스로서 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와;
    상기 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되고, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 탱크; 및
    상기 탱크의 상단 개구를 기밀하게 밀폐하고, 상기 탱크 내를 상하 이동 가능하게 설치되어 상기 저칼로리 가스의 공급량과 소비량과의 밸런스를 감시하기 위한 뚜껑 부재를 구비하고,
    상기 탱크가, 저칼로리 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 가스를 유입하기 위한 입구와, 탱크로부터 저칼로리 가스 공급 통로로 가스를 유출하기 위한 출구를 가지며,
    저칼로리 가스 공급 통로와 상기 탱크 사이에, 저칼로리 가스를 저칼로리 가스 공급 통로로부터 상기 입구를 통하여 탱크로 보내는 가스 입구 통로와, 저칼로리 가스를 탱크로부터 상기 출구를 통하여 저칼로리 가스 공급 통로로 보내는 출구 통로가 설치되고,
    상기 입구 통로에 저칼로리 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 저칼로리 가스 공급 설비.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 저칼로리 가스를 연료 가스로서 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 통로와;
    상기 저칼로리 가스 공급 통로에 설치되고, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 탱크; 및
    상기 탱크의 상단 개구를 기밀하게 밀폐하고, 상기 탱크 내를 상하 이동 가능하게 설치되어 상기 저칼로리 가스의 공급량과 소비량과의 밸런스를 감시하기 위한 뚜껑 부재를 구비하고,
    상기 탱크가, 저칼로리 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 가스를 유입하기 위한 입구와, 탱크로부터 저칼로리 가스 공급 통로로 가스를 유출하기 위한 출구를 가지며,
    저칼로리 가스 공급 통로와 상기 탱크 사이에, 저칼로리 가스를 저칼로리 가스 공급 통로로부터 상기 입구를 통하여 탱크로 보내는 가스 입구 통로와, 저칼로리 가스를 탱크로부터 상기 출구를 통하여 저칼로리 가스 공급 통로로 보내는 출구 통로가 설치되는 것을 특징으로 하는 저칼로리 가스 공급 설비.
  6. 삭제
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