KR20070086401A - 가스 칼로리 변동 억제 장치, 연료 가스 공급 설비, 가스터빈 설비 및 보일러 설비 - Google Patents

가스 칼로리 변동 억제 장치, 연료 가스 공급 설비, 가스터빈 설비 및 보일러 설비 Download PDF

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Abstract

[과제] 저칼로리 가스를, 그의 칼로리 변동을 억제하여 안정된 연료로서 공급할 수 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치를 제공한다.
[해결수단] 칼로리 변동 억제 장치는, 저칼로리 가스를 연료 가스로서 가스 터빈(2)에 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 설치되고, 저칼로리 가스를 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크(10)와, 상기 버퍼 탱크(10)에 형성되고, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측으로 연통되는 입구(10a)와, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측에 연통되는 출구(10b)와, 입구(10a)에 연통되는 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 연속하여 형성되는 경사관 부재를 포함하고, 상기 경사관 부재가 수평으로부터 상방으로 경사져 있다.
칼로리, 변동, 억제, 가스, 버퍼, 탱크, 시간차, 혼합, 터빈, 보일러

Description

가스 칼로리 변동 억제 장치, 연료 가스 공급 설비, 가스 터빈 설비 및 보일러 설비{GAS CALORIE VARIATION SUPPRESSOR, FUEL GAS SUPPLY FACILITY, GAS TURBINE FACILITY AND BOILER FACILITY}
본 발명은 가스 칼로리 변동 억제 장치, 연료 가스 공급 설비, 가스 터빈 설비 및 보일러 설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 연소설비의 연료로서의 가스가 저칼로리 가스와 같이 그의 발열량이 변동하는 경우, 이 발열량 변동을 억제할 수 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치, 이 가스 칼로리 변동 억제 장치를 구비한 연료 가스 공급 설비, 그리고 연료 가스 공급 설비를 구비한 연소 설비로서의 가스 터빈 설비 및 보일러 설비에 관한 것이다.
제철 분야에 있어서, 예를 들면 용광로 법으로 선철을 생산하는 경우, 용광로에서 노정(爐頂) 가스(Blast Furnace Gas, 이하 'BFG'라고 표기한다)가 부산물 가스(부생(副生) 가스)로서 발생한다. BFG의 총 발열량은 사용한 코크스의 발열량의 약 절반에까지 이르기 때문에, 제철 원가 저감을 위하여 BFG는 제철소 내에서 다방면으로 이용되고 있다. BFG는 투입 코크스 1톤당 3,000N㎥ 발생하고, 그 조성은 CO2가 10 ~ 18%, CO가 22 ~ 30%, N2가 52 ~ 60%, H2가 0.5 ~ 4%, CH4이 0.5 ~ 3% 정도로 되어 있다.
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. 저칼로리 가스란, 그 발열량이 약 12MJ/N㎥ 이하의 가스를 말하는 것이라고 알려져 있다. 저칼로리 가스로서는, 후술하는 바와 같이, 용광로 가스(BFG)에만 한정되지 않고, 코크스로 가스(COG), 전로(轉爐) 가스(LDG) 등의 많은 종류의 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 부산물 가스의 효과적인 이용에 대해서도 적용할 수 있는 연소 방식의 개발이 기대되고 있다. 어떤 제철 프로세스이거나, 발생하는 부산물 가스의 특성(가스 조성이나 칼로리)은 설비나 조업 내용에 따라 다르고, 동일 설비라도 각 원료의 특성이나 반응 과정에 따라 시시각각 변화하고 일정하지 않다.
부산물 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 초과한 경우, 즉 칼로리가 급격하게 커진 경우, 가스 터빈의 연소기 내에서의 연소 온도가 급격하게 비정상적인 고온으로 되는 것이다. 이것에 기인하여 버너 부분, 터빈의 정익(靜翼) 및 동익(動翼)이 손상되어 수명이 단축되기도 하는 폐해가 발생하고, 가스 터빈 설비의 경제적인 연속 운전이 곤란해진다.
부산물 가스의 칼로리 상승을 억제하기 위하여 질소 가스(N2)에 의해 희석하는 기술이 공지되어 있다(예를 들면, 아래의 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 참조). 그러나, 부산물 가스의 칼로리 값이 변동하는 경우, N2에 의해서 부산물 가스를 희석하는 것만으로는, 그 변동을 가스 터빈 고유의 허용 칼로리 변동폭이나 허용 칼로리 변동 속도 이내로 억제하는 것에 충분히 대응할 수 없는 경우가 있다. 이것은, 부산물 가스의 칼로리 변동이 급격한 경우에 칼로리 검출기의 응답에 지연이 발생하여 적시(適時)의 희석이 불가능한 것이 있고, 또한 고가인 불활성 가스를 대량으로 소비하지 않을 수 없는 경우에 이것을 확보해 두는 것이 곤란한 등의 이유 때문이다.
따라서, 부산물 가스의 특성 변동이 별로 심하지 않은 BFG에 대해서는 N2에 의한 희석만으로 유효하게 대처하는 것도 가능하다. 그러나 직접 환원 제철법에서는 소량의 반응로에서 기동, 정지가 반복되기 때문에 가스의 발열량 및 칼로리 값의 변동이 매우 현저해지기 때문에, N2에 의한 희석만으로서는 대응이 어렵다.
특허문헌 1: 일본 특개2002-155762호 공보
특허문헌 2: 일본 특개평9-317499호 공보
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 연소 설비에 연료로서 공급되는 저칼로리 가스 등의 연료용 가스의 칼로리 변동을 억제하는 것에 의해, 연료 가스의 불활성 가스에 의한 희석을 용이하게 함과 더불어 효과적으로 할 수 있게 하고, 또한, 불활성 가스에 의한 희석이 필요 없도록 하는 것도 가능한 가스 칼로리 변동 억제 장치, 이 가스 칼로리 변동 억제 장치를 구비한 연료 가스 공급 설비, 이와 더불어 연료 가스 공급 설비를 구비한 가스 터빈 설비 및 보일러 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여 본 발명의 가스 칼로리 변동 억제 장치는,
연료 가스를 연료 가스로서 연소 설비에 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로에 설치되고, 연료 가스를 일시적으로 저장하는 탱크와,
상기 탱크에 형성되고, 상기 연료 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 연료 가스가 유입하기 위한 가스 입구와,
상기 탱크에 상기 가스 입구와는 별도로 형성되고, 탱크로부터 연료 가스 공급 통로에 연료 가스가 유출되도록 하기 위한 가스 출구를 구비하고 있다.
연료 가스 공급 통로를 통하여 시시각각 공급되는 연료용 가스가 탱크 내에 일시적으로 저장되고, 그 안에서 시간차 혼합된다. 따라서, 이 연료 가스가 연료 가스와 같이 그 칼로리 값이 변동하고 있는 경우에도, 시간차 혼합되는 것에 의해, 그 칼로리 변동폭이 감소되고, 이와 함께 칼로리 변동 속도가 완화된다. 그 결과, 연료 가스의 칼로리 변동을, 희석 가스에 의해 연소 설비의 가스 특성의 허용변동범위 이내로 조정하는 것이 용이하게 됨과 더불어 효과가 있게 된다. 또한, 그 연료 가스의 평균 칼로리 값에 따라서는 희석이 필요 없도록 하는 상태로 하는 것도 가능해진다. 또한, 상기 시간차 혼합이란, 연속적인 시간 지연으로 탱크 안으로 유입해 오는 가스가 이미 유입되어 체류하고 있는 가스와 혼합하는 것이다.
또한, 상기 가스 입구에 접속되는 것은 연료 가스 공급 통로의 상류 측에 한정되지 않고, 가스 출구에 접속되는 것은 연료 가스 공급 통로의 하류 측에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 26에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 공급 통로에 바이패스 통로를 설치하고, 이 바이패스 통로에 탱크를 설치하는 경우, 바이패스 통로의 하류 측을 탱크의 가스 입구에 접속하고, 상류 측을 가스 출구에 접속한 다음, 하류 측 바이패스 통로에, 탱크로 연료 가스를 압송하는 수단을 설치한 구성도 채용할 수 있다.
상기 탱크의 구조에는 한정이 없다. 예를 들면, 용적이 변화하지 않는 고정 형식의 탱크이어도 좋고, 또한 종래의 가스 터빈 설비 등에서 가스 수급 밸런스를 감시하는 장치(gas holder)로서 이용되는 내부 용적 변동 형식의 탱크이어도 좋다. 내부 용적 변동 형식의 탱크란, 탱크 내압(內壓)에 부응하여 상하 이동할 수 있는 기밀(氣密)하게 장착된 뚜껑 부재를 가지는 탱크, 구동 장치에 의해서 뚜껑 부재를 적극적으로 상하 이동시키는 것에 의해 밸런스 효과를 최대로 할 수 있도록 탱크 용적을 선정할 수 있는 탱크 등이다. 이러한 탱크를 유용하여 연료 가스의 칼로리 변동을 억제하는 효과를 발휘할 수 있는 장치로 할 수 있다.
상기 가스 입구가 수평으로부터 상방 또는 하방으로 경사진 방향으로 연료 가스를 탱크 안으로 유입시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 시간차 혼합이 효과적으로 이루어지기 때문이다.
상기와 같이 가스의 유입 방향을 경사지게 하기 위하여, 가스 입구로 연통되는 연료 가스 공급 통로에 연속하여 형성된 경사관 부재를 포함하고, 이 경사관 부재가 수평으로부터 상방 또는 하방으로 경사져 있는 구성으로 할 수 있다.
또는, 상기 가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 및 탱크 안 중 한 쪽에 설치된 고정 루버(louver)를 포함하고, 이 고정 루버를, 경사 각도가 고정된 적어도 한 장의 루버로 구성하는 것에 의해서도, 가스의 유입 방향을 경사지게 할 수가 있다.
가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 또는 탱크 안에 상기 고정 루버를 설치하는 방법으로서, 예를 들면 가스 입구에 접속되는 연료 가스 공급 통로의 일부로서 하우징을 설치하고, 이 하우징 내에 설치하여도 좋다. 또한, 예를 들면, 탱크 내부에 가스 입구에 근접하여 설치하여도 좋다.
상기 가스 입구에 설치된 가스 유입 장치를 포함하고, 이 가스 유입 장치가, 탱크 안으로의 연료 가스 유입 각도를 변경 가능하게 구성되는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다.
상기 가스 유입 장치에, 상기 가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 및 탱크 안 중 한쪽에 설치된 가변 루버를 구비하고,
상기 가변 루버를, 그의 경사각도를 외부로부터 변경할 수 있도록 요동 가능하게 장착된 적어도 한 장의 루버로 구성할 수 있다.
가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 또는 탱크 안에 상기 가변 루버를 설치하는 방법으로서는, 예를 들면, 전술한 고정 루버의 설치 방법과 동일한 방법을 적용할 수 있다.
상기 가스 입구가 복수개 형성되고, 이 가스 입구들 중, 연료 가스를 탱크 안으로 유입시키는 가스 입구를 선택하여 절환할 수 있도록 구성되어 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다. 예를 들면, 가스를 유입시키는 가스 입구를 주기적으로 절환하는 것에 의해 탱크 안에서의 가스의 시간차 혼합을 촉진할 수 있기 때문이다.
이러한 가스 칼로리 변동 억제 장치에 대하여, 가스 출구를 복수개 형성하고, 상기 가스 입구의 절환에 동기하여 연료 가스를 탱크 외부로 유출시키는 가스 출구를 선택하여 절환할 수 있도록 구성할 수 있다.
이러한 가스 칼로리 변동 억제 장치를, 복수개의 가스 입구의 탱크 안으로의 연료 가스 유입 방향이 서로 다르게 구성할 수 있다.
상기 가스 입구가 복수개 형성되어 있고, 각 가스 입구에 연결되는 연료 가스 공급 통로에 설치된 유량 조정 장치를 포함하고, 각 연료 가스 공급 통로를 유통하는 가스의 유량을 변경할 수 있도록 구성되어 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다. 예를 들면, 각 가스 입구를 통과하는 가스 유량을 주기적으로 절환하는 것에 의해서 탱크 안에서의 가스 혼합을 촉진할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 유량 조정 장치로서는 유량 조절 밸브가 채용될 수 있다.
상기 탱크에 접속되고, 탱크 안으로 불활성 가스를 유입시키기 위한 불활성 가스 공급 통로를 포함하고 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다. 탱크 안에서 연료 가스와 불활성 가스의 시간차 혼합이 이루어지기 때문이다.
상기 가스 입구에 연통된 연료 가스 공급 통로의 내부에 삽입되도록 하여 접속된 불활성 가스 공급 통로를 포함하고, 이 불활성 가스 공급 통로의 출구 단부가 상기 가스 입구보다 상류에 위치하는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다. 연료 가스와 불활성 가스의 혼합이 촉진되기 때문이다.
상기 불활성 가스가, 산소 제조 플랜트 및 질소 제조 플랜트 중 적어도 어느 하나의 플랜트로부터 배출되는 폐기 질소를 회수한 것인 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다. 불활성 가스의 조달이 용이함과 더불어 저렴하기 때문이다. 또한, 산소 제조 플랜트나 질소 제조 플랜트로서는, 예를 들면 용광로 법, 직접 환원 제철법 등의 프로세스에서 설치되는 것이 적용될 수 있다.
상기 탱크에 서로 떨어져서 설치된 복수개의 제1 가스발열량 계측장치를 더 구비하고, 이 제1 가스발열량 계측장치에 의해 탱크 안의 가스 발열량 분포를 계측할 수 있도록 구성할 수 있다.
이러한 가스 칼로리 변동 억제 장치에 있어서, 제1 가스발열량 계측장치의 계측에 기초하여 탱크 내의 가스 칼로리 값의 분포를 검출하고, 이 가스 칼로리 값의 분포에 대응하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시킬 수 있도록 제어하는 제어 장치를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 탱크 안에서의 양호한 가스 혼합을 실현할 수 있기 때문이다.
상기 가스 입구에 연통되는 연료 가스 공급 통로에 설치되고, 입구 측의 가스 칼로리 값을 계측하기 위한 입구 가스 발열량 계측장치와, 가스 출구에 연통되는 연료 가스 공급통로에 설치되고, 출구 측의 가스 칼로리 값을 계측하기 위한 출구 가스 발열량 계측 장치를 포함하고 있는 가스 칼로리 변동 억제 장치가 바람직하다.
이러한 가스 칼로리 변동 억제 장치에 있어서, 입구 가스 발열량 계측장치 및 출구 가스 발열량 계측장치의 계측치에 기초하여, 탱크로의 유입가스 칼로리 변동과 탱크로부터의 배출가스 칼로리 변동을 비교하고, 이 비교 결과에 기초하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시키도록 제어하는 제어 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탱크의 천정이 상하 이동하도록 구성되어 있는 경우, 이 천정의 상하 이동 방향 및 거리에 기초하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시킬 수 있도록 제어하는 제어 장치를 구비하는 것이 바람직하다. 천정의 높이에 부응하여 최적한 가스 혼합을 얻을 수 있도록 가스의 유입 방향을 선택할 수 있기 때문이다. 또한, 천정이 상하 이동하는 탱크란, 전술한 바와 같이, 탱크 내압에 부응하여 상하 이동할 수 있는 기밀하게 장착된 뚜껑 부재(천정을 구성하고 있음)를 가지는 탱크, 구동 장치에 의해 뚜껑 부재를 적극적으로 상하 이동시키는 것에 의해 밸런스 효과를 최대로 할 수 있는 탱크 용적을 선정할 수 있는 탱크 등을 말한다.
상기 가스 출구가, 가스 입구의 중심축의 연장선으로부터 어긋난 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 탱크에 유입한 연료 가스의 탱크 내 체류 시간을 연장시킬 수 있기 때문이다. 또한, 가스 입구의 중심축의 연장선이란, 예를 들면, 전술한 경사관 부재의 중심축의 연장선 등을 말한다.
상기 탱크의 내부에 가스를 교반하기 위한 교반 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 가스 공급 설비는,
연료 가스를 연료 가스로서 연소 설비에 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로와,
이 저칼로리 공급 통로를 통하여 공급되는 연료 가스의 발열량 변동을 억제하기 위한 가스 칼로리 억제 장치를 구비하고,
상기 가스 칼로리 억제 장치가 전술한 것들 중 어느 하나의 가스 칼로리 변동 억제 장치로 구성된다.
상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 상류 측 및 하류 측 중 어느 한쪽과의 사이에 접속되는 입구 통로와,
상기 입구 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 가스 칼로리 억제 장치에서,
탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 상류 측 및 하류 측의 양쪽 사이에 접속되는 입구 통로와,
각 입구 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 가스 칼로리 억제 장치에서,
탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 상류 측과의 사이에 접속되는 입구 통로와,
연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 하류 측과 상류 측 사이에 접속되는 귀환 통로와,
상기 입구 통로 및 귀환 통로 각각에 설치되고, 연료 가스를 탱크 및 상류 측 연료 가스 공급 통로를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 가스 칼로리 억제 장치에서,
탱크의 가스 출구에 하류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되고,
탱크의 일측 가스 입구에 상류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되며,
탱크의 타측 가스 입구와 하류 측의 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 귀환 통로와,
상기 귀환 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 가스 칼로리 억제 장치에서,
탱크의 가스 출구에 하류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되고,
탱크의 일측 가스 입구에 상류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되며,
탱크보다 상류 측의 연료 가스 공급 통로와 탱크보다 하류 측의 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 귀환 통로와,
상기 귀환 통로에 설치되고, 연료 가스를 연료 가스 공급 통로의 하류 측으로부터 상류 측을 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가스 터빈 설비는,
상기 연소 설비와,
상기 연소 설비에 연료 가스로서 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 설비를 구비하고,
상기 연소 설비가 가스 터빈이며,
상기 연료 가스 공급 설비가, 전술한 것들 중 어느 하나의 연료 가스 공급 설비로 구성된다.
상기 연소 설비와,
상기 연소 설비에 연료 가스로서 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 설비를 구비하고,
상기 연소 설비가 가스를 버너에서 연소시키는 보일러이고,
상기 연료 가스 공급 설비가, 전술한 것들 중 어느 하나의 연료 가스 공급 설비로 구성된다.
본 발명에 의하면, 프로세스 부산물 가스와 같이 칼로리 변동할 수 있는 저칼로리 가스를 가스 터빈 등의 연소 설비에 연료 가스로서 공급하는 경우, 시간차 혼합하는 것에 의해서 공급되는 저칼로리 가스의 칼로리 변동을 억제(완화)할 수 있다. 즉, 변동의 진폭을 작게 하는 것은 물론, 마치 로우 패스 필터(lowpass filter)와 같이, 단주기나 중주기의 변동을 삭감시켜서 장주기의 변동만을 잔존시킬 수가 있기 때문에, 희석 가스에 의한 희석이 효과적임과 더불어 용이하게 이루어진다. 또한, 희석 가스에 의한 희석이 불필요해지는 경우가 있다.
도 1은 본 발명의 연료 가스 공급 설비의 일실시 형태인 저칼로리 가스 공급 설비를 포함한 가스 터빈 발전 설비를 개략적으로 나타내는 배관도이다.
도 2는 도 1에서의 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3은 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 또 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 6은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 7은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 8은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 9는 도 8의 버퍼 탱크에 사용하는 가스 유입 장치의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 11은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 12는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 13은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 14는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 15는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 16은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 17은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 18은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 19는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 일부 단면 정면도이다.
도 20은 버퍼 탱크 내의 가스의 시간차 혼합의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 21은 버퍼 탱크 내의 가스의 시간차 혼합의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 22는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 23은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 24는 도 22 또는 도 23의 버퍼 탱크를 통과하는 것에 의해 저칼로리 가스의 칼로리 변동이 완화되는 상태의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 25는 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 26은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 27은 도 1의 가스 터빈 발전 설비에서 설치될 수 있는 버퍼 탱크의 또 다른 예를 나타내는 배관도이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예인 저칼로리 가스 공급 설비를 포함한 보일러 설비를 개략적으로 나타내는 배관도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 저칼로리 가스 공급 설비 2: 가스 터빈
3: 저칼로리 가스 공급 배관 4: 희석 가스 공급 배관
5: 제어 장치 6: 혼합기
7: 집진 장치 8: 입구 칼로리미터
9: 출구 칼로리미터 10: 버퍼 탱크
11: 유량계 12: 칼로리미터
13: 혼합 가스 공급 배관 14: 유량계
15: 칼로리미터 16: 연료 가스 압축기
17: 연료 배관 18: 유량계
19: 연소기 20: 유량 조절 밸브
21: 필터 22: 발전기
23: 버퍼 탱크 24: 뚜껑 부재
25: 구동 장치 26: 케이블
27: 풀리 28: 교반 장치
29: 유량계 31: 버퍼 탱크
32: 가스량 밸런스 감시 장치 33a: 뚜껑 부재(상부 탱크)
33b: 하부 탱크 34: 추
35: 경사관 부재 36: 가스 유입 장치
37: 하우징 38: 가변 루버
39: 회동축 40: 접속 부재
41: 스톱 밸브 42: 불활성 가스 공급 배관
43: 연통관(출구 배관) 44: 입구 배관
45: 팬 46: 가스량 밸런스 감시 장치
47: 탱크 48: 압력 검출 장치
49: 귀환 배관 51: 저칼로리 가스 공급 설비
52: 보일러 53: 저칼로리 가스 공급 배관
54: 유량계 S: 직접 환원 제철 설비
첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 가스 칼로리 변동 억제 장치, 연료 가스 공급 설비 및 가스 터빈 설비의 실시예를 설명한다.
도 1은 연소 설비로서의 가스 터빈에 연료 가스로서 저칼로리 가스를 공급하는 본 발명의 연료 가스 공급 설비의 일실시예인 저칼로리 가스 공급 설비(1)와, 이 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 가스는 그의 발열량이 약 12MJ/N㎥ 이하의 가스를 말하고, 그 칼로리 등의 특성이 변동하는 일이 많다.
이 연료 가스 공급 설비로서의 저칼로리 가스 공급 설비(1)는, 직접 환원 제철 설비(S)에서 발생한 부산물 가스(이하, '저칼로리 가스'라고 칭한다)를 가스 터빈(2)에 연료로서 공급하는 연료 가스 공급 통로로서의 저칼로리 가스 공급 배 관(3)과, 이 저칼로리 가스를 희석하기 위하여 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 희석용 가스를 공급하기 위한 희석 가스 공급 배관(4)을 구비하고 있다. 이 희석 가스를 저칼로리 가스에 공급하는 것은, 저칼로리 가스의 칼로리 값이 변동하여 가스 터빈 고유의 허용 칼로리 범위를 초과하는 것을 방지하기 위함이다. 희석 가스 공급 배관(4)에는, 희석 가스의 유량을 조정하는 유량 조정 밸브(이하, '유량 조절 밸브'라고 한다)(14)와 유량계(18)가 설치되어 있고, 혼합기(6)에 의해서 저칼로리 가스 공급 설비(1)에 접속되어 있다. 상기 희석용 가스로서는 불활성 가스, 공기, 증기, 연소 설비 등으로부터 배출되는 배기 가스 등이 채용될 수 있다. 불활성 가스로서 질소 가스(N2)가 바람직하게 채용될 수 있으나, 물론, 불활성 가스로서는 N2에 한정되지 않고, CO2나 He 등이어도 좋다. 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 혼합기(6)보다 하류 부분은, 그곳을 저칼로리 가스가 희석 가스와 혼합된 상태로 가스 터빈(2)까지 이송되는 것이기 때문에, 이 범위의 배관을 혼합 가스 공급 배관(13)이라고 부른다. 이 저칼로리 가스 공급 설비(1)에는, 그의 작동을 제어하기 위한 제어 장치(5)가 설치되어 있다.
상기 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 혼합기(6)보다 상류 부분에는, 직접 환원 제철 설비(S)로부터 보내져 오는 저칼로리 가스를 제진하기 위한 집진 장치(7)와, 저칼로리 가스를 1차 저장하기 위한 버퍼 탱크(이하, 간략히 '탱크'라고도 한다)(10)가 설치되어 있다. 버퍼 탱크(10)에는, 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되는 입구(10a)와, 입구(10a)와는 별도로 하류 측의 저칼로리 가스 공 급 배관(3)이 접속되는 출구(10b)가 형성되어 있다. 이 버퍼 탱크(10)나 후술하는 버퍼 탱크(31)(도 6 등 참조)는, 후술하는 경사관 부재(35)(도 6 등 참조), 가스 유입 장치(36), 불활성 가스 공급 통로로서의 불활성 가스 공급 배관(42)을 선택적으로 포함하여 가스 칼로리 변동 억제 장치로서 기능한다.
버퍼 탱크(10)는 비교적 대용량이고, 시시각각으로 칼로리 변동하면서 유입되어 오는 저칼로리 가스가 상기 버퍼 탱크(10)의 내부에서 시간차(時間差) 혼합된다. 즉, 동시에 버퍼 탱크(10)로 유입된 저칼로리 가스는, 비교적 빨리 출구(10b)로부터 유출하는 부분에서 늦게까지 버퍼 탱크(10) 안에 체류하는 부분까지 분포하고 있다. 한편, 입구(10a)로부터는 연속하여 새로운 가스가 유입되기 때문에, 과거에 유입된 가스와 새로 유입된 가스가 끊임없이 혼합된다. 여기에서는 이것을 시간차 혼합이라고 부른다.
버퍼 탱크(10)의 상류 측 및 하류 측에는 저칼로리 가스의 발열량을 검출하기 위한 발열량 검출 장치(8, 9)가 설치되어 있고, 버퍼 탱크(10)의 하류 측에는 유량을 계측하기 위한 유량계(11)가 설치되어 있다. 도 1에서는 유량계(11)는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 버퍼 탱크(10)와 혼합기(6)와의 사이 부분에 설치되어 있으나, 이 위치에만 한정되지 않는다. 예를 들면, 혼합기(6)보다 하류의 혼합 가스 공급 배관(13)에 설치하여도 좋고, 후술하는 가스 터빈(2)의 연소기(19)에 접속된 연료 배관(17)에 설치하여도 좋다. 저칼로리 가스 공급 배관(3) 상의 발열량 검출 장치(8, 9)에 더하여, 별도의 복수개의 발열량 검출 장치(12)가 버퍼 탱크(10)에 직접 설치되어 있다. 이들의 작용에 관해서는 후술한다.
여기서, 발열량 검출 장치(8, 9, 12)로서, 가스의 발열량을 직접 계측하는 이른바 '칼로리미터', 가연 성분의 함유율(농도)을 계측하는 장치 등이 이용된다. 검출 속도를 중요시하는 경우는 현재로서는 가연성 가스 농도 검출기를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 적용되는 저칼로리 가스가 주로 함유하는 가연 성분의 종류에 대응해서, 또한, 주된 농도 변동이 발생하는 가연 성분(예를 들면, 직접 환원 제철법에서의 부산물 가스에서는 일산화 탄소)에 대응해서, 그 성분의 농도를 검출하는 농도 검출기를 이용하여도 좋다. 본 명세서에서는 이러한 발열량 검출 장치 전체를 대표하여 「칼로리미터」라고 부른다.
혼합 가스 공급 배관(13)에는 칼로리미터(15)가 설치되어 있다. 이것은, 탱크(10)의 출구 측의 칼로리미터(9) 및 유량계(11)를 감시함과 더불어, 혼합 가스 공급 배관(13)의 칼로리미터(15)를 감시하는 것에 의해서 상기 혼합 가스의 최종적인 칼로리 값이 적합한지를 판단하기 위함이다. 또한, 희석 가스로서 공기나 연소 설비로부터의 배출 가스 등, 산소를 함유하는 가스를 이용하는 경우에는, 혼합 가스의 산소 농도를 제어하기 위하여 혼합 가스 공급 배관(13)에 산소 농도계(도시하지 않음)를 설치한다.
칼로리미터(15)의 하류 측에는 가스 터빈(2)의 연료 가스 압축기(16)가 설치되어 있다. 연료 가스 압축기(16)로부터 가스 터빈(2)의 연소기(19)에 접속된 연료 배관(17)에는 터빈 출력을 조정하기 위한 유량 조절 밸브(20)가 설치되어 있다. 참조 부호 '21'은 연소기(19)로 공기를 공급하는 배관에 설치된 '필터'이다. 가스 터빈(2)에는 발전기(22)가 연결되어 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 가스 터빈(2) 에는 그의 배출 가스를 이용하여 발전하는 배열회수 보일러 발전설비 등을 설치하여도 좋다.
다음으로, 도 1 중의 버퍼 탱크(10)의 작용 효과에 관하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 이 버퍼 탱크(10)는, 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 각각에 접속된 입구(10a, 10b)를 구비하고 있다. 따라서, 보내져 온 저칼로리 가스 모두가 이 버퍼 탱크(10)로 유입한다. 이 버퍼 탱크의 용적은 큰, 예를 들면 지름 2~3m 정도의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 통상적으로 용적이 약 20,000 ~ 200,000㎥ 정도의 것이 설치된다. 시시각각 칼로리가 변동하면서 보내져 온 저칼로리 가스는 버퍼 탱크 안에서 시간차 혼합된다. 그 결과, 버퍼 탱크(10)의 출구(10b)로부터 나가는 저칼로리 가스의 칼로리의 변동폭은 단번에 축소되고, 변동 속도는 단번에 저하된다. 즉, 칼로리 변동이 크게 억제(완화)된다. 이와 같이 칼로리 변동이 사전에 완화되면, 하류에서 공기 등의 희석에 의한 칼로리 상승의 억제 제어가 매우 용이해진다. 이상의 현상을 도 2 ~ 도 6을 참조하면서 설명한다.
도 2는, 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 억제(완화) 상태의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 횡축은 시간(분)을 나타내고, 종축은 저칼로리 가스의 발열량인 가스 칼로리 값(㎉/N㎥)을 나타내고 있다. 또한, 도면 중에 점선으로 표시한 곡선은 버퍼 탱크(10)로 보내져 온 저칼로리 가스의 칼로리 변동(고유 변동)을 나타내고 있다. 이것은 실제 측정한 하나의 샘플이다. 실선으로 표시한 곡선은, 충분히 시간차 혼합된 후에 버퍼 탱크(10)로부터 나가는 저 칼로리 가스의 칼로리 변동(억제 후 변동)을 나타내고 있다. 도시한 것과 같이, 버퍼 탱크(10)로 들어가기 전의 저칼로리 가스의 칼로리는 약 1,530㎉/N㎥으로부터 약 2,360㎉/N㎥까지 변동하고 있다. 즉, 평균치(1,945㎉/N㎥)의 약 ±21%의 변동폭을 가지고 있다. 버퍼 탱크(10)로부터 나가는 저칼로리 가스의 칼로리 변동을 이론적으로 계산한 결과에 의하면, 1,780㎉/N㎥으로부터 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) 및 중주기(中周期)의 변동은 제거되고, 장주기(長週期)의 변동이 잔존한다. 이 결과는 저칼로리 가스의 공급 유량에 대하여 버퍼 탱크의 용적을 크게 할수록 현저해지는 경향이 있다. 고유 변동의 주기가 짧고, 변동폭이 작은 경우에는 경제성의 견지에서 버퍼 탱크의 용적을 작게 하여도 효과가 있다.
도 3에는, 저칼로리 가스가 유량은 500,000N㎥/hr로 한 그대로, 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)에서의 충분한 시간차 혼합에 의해, 1,700㎉/N㎥에서 2,040㎉/N㎥까지의 범위로 억제되고 있고, 변동폭은 평균치(1,970㎉/N㎥)의 약±9%이다.
도 4는 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)에서의 충분한 시간차 혼합에 의해, 1,740㎉/N㎥으로부터 2,010㎉/N㎥까지의 범위로 억제되고 있고, 변동폭은 평균 치(1,875㎉/N㎥)의 약±7.2%이다.
도시하지 않았지만, 저칼로리 가스가 상기와 동일하게 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 5에 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 2대를 모두 사용하고, 정기 점검이나 작동 불량 시 등의 비정상 상태에만 한쪽의 탱크만을 사용한다는 생각도 할 수도 있다.
이와 같이, 저칼로리 가스의 시간차 혼합을 실현할 수 있는 버퍼 탱크를 구비하는 것에 의해, 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 경우라면, 버퍼 탱크의 하류에서는 변동하는 칼로리의 평균치를 가스 터빈(2)에 설정된 기준 칼로리 값과 일치시키기 위하여, 그 사양(仕樣)에 부합할 수 있는 용적의 버퍼 탱크를 갖추고, 일정 비율의 희석 가스를 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, 희석 가스의 혼합이 불필요해질 뿐만 아니라, 희석 가스를 공급하는 설비가 필요 없어진다.
도 6에는 다른 버퍼 탱크(이하, 간략히 '탱크'라고도 한다)(31)가 도시되어 있다. 이 버퍼 탱크(31)는 종래의 가스 터빈 설비에 가스 홀더로서 사용되는 것을 칼로리 변동 억제 장치로서 겸용하기 위해 개조한 것이다. 즉, 탱크(31)에 입구(31a)와 출구(31b)를 별도로 형성하고, 이들에 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3) 각각을 접속하고 있다. 가스 홀더는, 가스량 밸런스를 감시하는 장치(가스량 밸런스 감시 장치)(32)에 포함되는 것이다. 가스량 밸런스 감시 장치(32)란, 상류 측으로부터 보내져 오는 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 계외(系外)로 방출하고, 공급 부족이 되었을 때에는 가스 터빈의 부하를 낮추거나 일부의 운전을 정지하기도 한다.
상기 가스량 밸런스 감시 장치(32)는, 내용적(內容積) 변동식의 상기 탱크(31)와, 탱크(31)의 상단 개구를 실(seal) 부재(33c) 등에 의해 기밀(氣密)하게 밀폐함과 더불어 탱크 안을 상하 이동 가능하게 설치된 뚜껑 부재(상부 탱트)(33a)와, 예를 들면 뚜껑 부재(33a)에 연결된 조정용 추(34)를 구비하고 있다. 뚜껑 부재(33a)는 천정을 구비하고, 하부 탱크(33b)와 상자식으로 조합한 상부 탱크라고 부를 수 있다. 실 부재(33c)는 상부 탱크(33a)와 하부 탱크(33b)의 틈새에 설치되어 있다. 상부 탱크(33a)의 자중과 상기 추(34)의 중량과 대기압에 의한 눌러 내리 는 힘의 총계와, 탱크(31)의 내압(內壓)에 의한 밀어 올리는 힘과의 밸런스에 의해서 탱크 안을 상하 이동한다. 따라서, 저칼로리 가스의 공급량과 소비량과의 밸런스 변화에 따라 뚜껑 부재(33a)가 상하로 이동한다. 상기 뚜껑 부재(33a)의 상하 이동을 감시하면서 가스의 계외 방출이나 터빈 부하의 저하 등의 조치를 취한다. 이 가스 홀더를 저칼로리 가스의 시간차 혼합용의 버퍼 탱크(31)로서 겸용하고 있다.
상하 가동 뚜껑 부재(33a)의 유무에 관계없이, 버퍼 탱크(10, 31)는 소정의 용적을 가진다면 전술한 저칼로리 가스의 시간차 혼합이라고 하는 작용을 수행한다.
도 6 ~ 도 19에는, 버퍼 탱크 안에서 한층 더 충분한 저칼로리 가스의 시간차 혼합이 이루어지도록, 탱크 안으로의 가스 유입 방향에 대한 고안이 실시된 구성이 도시되어 있다. 즉, 탱크로 유입한 저칼로리 가스의 일부가 탱크 안에 가능한 한 장시간 체류하고, 탱크 내에서 충분히 혼합되는 것에 의해, 이상적인 시간차 혼합이 이루어지는 것을 목적으로 한 고안이 이루어지고 있다. 개략적으로 설명하면, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 수평 방향으로부터 상방 또는 하방으로 기울이는 구성으로 하고 있다. 전제로서, 탱크 안으로 유입하는 가스의 용적 유량에 대하여 탱크의 내용적(內容積)을 충분한 크기로 할 필요가 있을 것이다. 예를 들면, 도 2 ~ 도 5를 참조하면서 설명한 탱크(10)와 같다. 도 6 ~ 도 19에 있어서, 동일한 부재에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 도면마다의 설명은 생략한다.
도 6의 탱크(31)는 전술한 바와 같이 가스 홀더를 이용한 버퍼 탱크(31)이 나, 이것은 예시이고, 가동식의 뚜껑 부재(33a)를 구비하지 않는 탱크(10)에도 가스의 유입 방향에 대한 고안이 실시된 구성을 적용할 수 있다. 이것은, 후술하는 도 7, 도 8, 도 10, 도 12 ~ 도 19, 도 22, 도 23의 탱크에 대해서도 마찬가지이다. 탱크(31)의 둘레벽의 하단 근방에 입구(31a)와 출구(31b)가 형성되고, 각각에 상류 측 및 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 연통하고 있다. 저칼로리 가스 공급 배관(3)은 대략 수평하게 배관되어 있으나, 입구(31a)에 접속되는 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에는, 이것에 연속하여 상방으로 경사진 경사관 부재(35)가 접속되어 있다. 이렇게 하는 것으로, 저칼로리 가스는 탱크 안으로 기울어진 방향으로 치솟으면서 분출되고, 가스 흐름의 대부분은 곧바로 출구(31b)로부터 유출하지 않고 탱크 안을 돈다. 그 결과, 저칼로리 가스가 탱크 안에 장시간 체류하고, 충분히 혼합된다. 출구(31b)의 위치가 탱크 안으로의 가스 유입 방향의 연장선상으로부터 어긋나 있는 것도 시간차 혼합의 효과를 향상시킨다. 즉, 경사관 부재(35)나 후술하는 가스 유입 장치(36)의 중심축의 연장선으로부터 어긋난 위치에 출구(31b)를 형성하는 것이 바람직하다. 요컨대, 입구(10a,31a)의 중심축의 연장선으로부터 어긋난 위치에 출구(31b)를 형성하는 것이 바람직하다. 이것은, 이하에 설명하는 다른 탱크(10, 31)에도 해당한다.
또한, 도시된 바와 같이, 탱크(31) 안의 가스를 교반하기 위하여, 탱크 안에 팬(fan) 등의 교반 장치(28)를 설치하여도 좋다. 탱크 안에서의 가스 혼합을 촉진하고, 그에 따라 더욱 효과적인 시간차 혼합을 실현하기 위함이다. 교반 장치(28)의 설치 형태로서는, 출구(31b) 근방으로부터 가스를 탱크 안쪽을 향해 흘려보낼 수 있는 자세로 출구(31b) 근방에 설치하는 것이 바람직하다. 출구(31b)로부터 유출하려는 가스를 탱크 안쪽으로 되밀어 내어 가스의 탱크 내 체류시간을 길게 할 수가 있고, 그것에 의해 가스의 효과적인 시간차 혼합이 실현될 수 있기 때문이다. 또한, 예를 들면 출구가 탱크의 하부에 형성되어 있을 때에는 가스를 상방으로 흐르게 하고, 출구가 탱크의 상부에 형성되어 있을 때에는 가스를 하방으로 흐르게 할 수 있는 배치가 바람직하다. 이 교반 장치(28)는, 도 6의 탱크(31)에 한정되지 않고, 다른 도면에 도시된 탱크(10, 23, 31, 47)나, 칼로리 억제 효과를 발휘할 수 있는 타 탱크에 대하여도 설치하는 것이 가능하다. 또한, 교반 장치(28)의 회전 구동기로서의 전동 모터(28a) 등은 탱크의 외부에 설치해 두는 것이 바람직하다.
또한, 탱크 안의 가스를 교반하기 위한 기구로서, 탱크 안의 가스를 순환시키기 위한 배관(도시하지 않음)을 탱크에 접속하여도 좋다. 즉, 탱크 벽에 가스 순환용 입구와 출구를 형성하고, 이 출입구에 순환용의 1개의 배관을 접속한다. 그리고 이 순환용 배관의 내부에 상기 교반 장치(28)와 동일한 팬을 설치한다. 이렇게 하면, 상기 팬의 작동에 의해, 탱크 안의 가스가 순환용 배관으로부터 흡출되어 다시 탱크 안으로 유입되게 되므로, 가스의 순환이 일어나고, 나아가서는 탱크 안에서의 교반 효과가 생긴다.
도 7에 나타낸 탱크(23)는 다른 종류의 가스 홀더를 이용한 내용적 변동식 버퍼 탱크(23)이다. 이 가스 홀더는, 탱크 안을 기밀하게 상하 이동하도록 설치된 뚜껑 부재(24)를 구동 장치(25)에 의해 체인이나 케이블(26)을 개재하여 적극적으로 상하 이동시키고, 조업 시의 가스 수급 밸런스 효과를 최대로 할 수 있도록 탱 크 용적을 결정할 수 있다고 하는 것이다. 도시된 바와 같이 뚜껑 부재(24)를 소형화하여 경량으로 하는 것에 의해 대용적의 탱크에도 적용되고, 상하 이동시키기 위한 구동계를 간소화할 수 있다. 이와 같은 가스 홀더도, 저칼로리 가스 입구(23a)와 출구(23b)를 따로 형성하고, 입구(23a)에 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)을 접속하고, 출구(23b)에 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)을 접속하는 것에 의해, 칼로리 변동 억제 효과를 수행하는 버퍼 탱크로서 유용할 수가 있다. 입구(23a)에 접속되는 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)에도, 이것에 연속하여 상방으로 경사진 경사관 부재(35)가 접속되어 있다. 참조 부호 '27'은 케이블(26)을 지지하는 '풀리'이다.
그러나 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)은 탱크(23)의 바닥부보다 하방으로 배관되어 있다. 탱크(23)의 입구(23a)는 탱크 바닥부에서의 둘레 테두리 근방으로 개구되고, 경사관 부재(35)는 탱크 바닥부의 하방으로부터 상방으로 경사져서 입구(23a)에 접속되어 있다. 이 구성에 의해서도 도 6의 탱크(31)와 동일한 효과적인 시간차 혼합이 실현된다. 또한, 입구(23a)가 탱크 바닥부에 개구되어 있기 때문에, 상기 뚜껑 부재(24)의 높이 변동의 허용 범위를 탱크의 바닥부 근방까지로 하고, 탱크(23)의 내용적을 최대한으로 활용할 수가 있다.
이상 설명한 탱크(31, 23)(도 6 및 도 7)에는 상방으로 경사진 경사관 부재(35)가 설치되어 있으나, 이러한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 뚜껑 부재를 구비하고 있지 아니한 고정형식의 탱크(10)에서는, 탱크 둘레벽의 상단 근방에 입구 및 출구를 형성하고, 이들에 저칼로리 가스 공급 배관(3)을 접속할 수도 있다. 그 경우에는, 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 선단에 연속하여 하방으로 경사진 경사관 부재를 접속하는 것이 된다. 즉, 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 탱크의 접속 위치의 높이에 대응하여 경사관 부재의 경사 방향을 선택하면 된다.
도 8에 나타낸 탱크(31)에는 그의 둘레벽의 하단 근방에 입구(31a)와 출구(31b)가 형성되어 있다. 상류 측 및 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3) 모두 대략 수평하게 배관되어 있다. 상기 입구(31a)에는, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변경하기 위한 가스 유입 장치(36)가 설치되어 있고, 이 가스 유입 장치(36)에 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되어 있다. 탱크(31)는 원래 그 내부에 유입한 가스의 흐름을 발생시켜서 균일하게 혼합한다는 기능을 가지나, 가스 유입 장치(36)와 이의 작동을 제어하는 제어 장치(5)에 의해 가스 유입의 양태를 변경하는 것을 가능케 하여, 균일 혼합 효과를 한층 더 향상시킬 수가 있다.
도 9도 함께 참조하면 분명한 것과 같이, 이 가스 유입 장치(36)는, 탱크 입구(31a)의 외부에 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관의 일부로서 형성된 하우징(37)과, 이 하우징(37)의 내부에 상하로 간격을 두고서 수용된 여러 장의 가변 루버(38)를 구비하고 있다. 각 가변 루버(38)는 대략 수평으로 배치되고, 그의 회전축(39)이 하우징(37)의 외부로 돌출되어 있다. 이 회전축(39)의 돌출된 부분을, 전동 모터, 유압 모터, 공압 실린더, 유압 실린더 등의 공지의 수단으로 회동시켜서 루버(38)를 상하 방향으로 요동시킬 수 있다. 루버(38)를 상하 방향으로 요동시키면, 그것에 부응하여 가스의 유입 방향을 변경할 수가 있다. 따라서, 도 6 및 도 7 에 나타낸 경사관 부재(35)와 동일한 가스 흐름을 상방으로 경사시키는 것이 가능하다. 설치할 루버의 개수는 한정이 없고, 1개이어도 복수개이어도 좋다. 개수가 많으면 유입 방향을 정하는 효과는 향상되지만 유입 저항이 증가하는 경향이 있다.
또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 하우징(37)의 외부로 돌출한 회전축(39)에는 경사 방향 지시기(39a)가 설치되어 있어, 가스 유입 장치(36)의 외부로부터 루버(38)의 경사 방향, 나아가서는 가스의 유입 방향을 표시할 수도 있다. 또한, 이 루버(38)의 경사 방향에 관해서는, 도시하지 않은 검출기에 의해 검출하여 제어장치(5)에 그의 검출 신호를 송신하고, 이것에 기초하여 도시하지 않은 원격 표시 장치에 표시하도록 하여도 좋다. 또한, 하우징(37)에 투시 창을 형성하고, 외부에서 루버(38)의 경사 방향을 확인할 수 있도록 하여도 좋다.
또한, 도시된 바와 같이 상하 가동식 뚜껑 부재(33a)를 구비한 탱크(31)의 경우, 그의 천정이 상하 이동하지만, 제어 장치(5)에 그 천정의 위치 신호를 입력하고, 이 위치 신호에 부응하여 최적의 가스 유입 방향을 선정하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 뚜껑 부재(33a)가 상승하면 가스 유입 방향을 더 위쪽으로 경사시키기 위해, 루버(38)를 그의 수평으로부터의 앙각(仰角)이 커지도록 위쪽으로 요동시킨다. 뚜껑 부재(33a)가 하강하면 가스 유입 방향을 현재의 방향보다도 아래쪽으로 경사시키기 위해, 루버(38)를 그의 수평으로부터의 앙각이 작아지도록 요동시킨다.
또한, 도 8의 탱크(31)(뚜껑 부재(33a)를 포함한다)에는 전술한 복수개의 칼로리미터(12)가 간격을 두고서 적정 개소에 설치되어 있다. 이 칼로리미터(12)의 계측치에 따라서 탱크(31) 내의 가스의 시간차 혼합의 정도를 알 수가 있다. 탱크(31) 안에서의 각 부위의 칼로리 값의 차(말하자면 칼로리 값의 분포)가 작은 만큼 시간차 혼합이 효과적으로 이루어지고 있는 것으로 판단할 수 있다. 상기 제어장치(5)에 의해서 루버(38)의 경사각도를 변화시키면서 그의 칼로리미터(12)에 의해서 연속적으로 칼로리 값을 계측한다. 그렇게 하면, 시간차 혼합에 따라서 최적의 루버(38)의 경사각도를 알 수가 있다. 또한, 탱크(31)의 뚜껑 부재(33a)의 높이 위치 등, 그의 다른 조건에 대해서도 각각 최적인 경사각도를 알 수가 있다. 이 데이터를 제어장치(5)에 기억시켜 두면, 운전할 때에 이 제어장치(5)에 의해 탱크 내의 칼로리 값의 분포에 기초하여 루버(38)를 최적의 각도로 하는 제어가 가능해진다.
도 8의 탱크(31)에 접속된 상류 측 및 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)에는 각각 입구 칼로리미터(8)와 출구 칼로리미터(9)가 설치되어 있다. 각 칼로리미터(8, 9)는 연속하여 가스 칼로리 값을 계측하고 있기 때문에, 상류 측 및 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 칼로리 변동을 검출할 수가 있다. 제어장치(5)는, 그곳에 상류 측 및 하류 측 각각의 칼로리 변동을 나타내는 신호가 입력되기 때문에, 이들을 비교하는 것에 의해 탱크(31)에 의한 칼로리 변동의 억제 효과의 정도를 검출할 수가 있다. 따라서, 이 제어장치(5)에 의해, 칼로리 변동 억제 레벨의 설정 값와 검출 값과의 편차를 산출하고, 이 편차를 메우도록(균일한 시간차 혼합 효과가 최대가 되도록) 루버(38)의 경사 각도를 제어한다.
예를 들면, 상기 제어장치(5)에 의해 루버(38)의 경사 각도를 변화시키면서 칼로리미터(8, 9)에 의해 연속적으로 칼로리 값을 계측한다. 그렇게 하면, 시간차 혼합에 따라서 최적의 루버(38)의 경사각도를 알 수 있다. 또한, 전술한 탱크(31)의 뚜껑 부재(33a)의 높이 위치 등, 그 외의 조건마다에도 최적인 경사각도를 알 수도 있다. 이 데이터를 제어장치(5)에 기억시켜 두면, 운전할 때에 이 제어장치(5)에 의해 칼로리 변동 억제 레벨의 설정 값과 검출 값과의 편차를 메우도록 루버(38)를 최적의 각도로 하는 제어가 가능해진다.
도 8의 탱크(31)의 상기 가스 유입장치(36)는, 탱크 외부에 설치한 하우징(37)의 내부에 가변 루버(38)를 수용하고 있으나, 이러한 구성에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 하우징은 설치하지 않고, 탱크 안에서 입구에 근접한 위치에, 탱크 외부로부터 요동 구동할 수 있도록 가변 루버(38)를 설치하여도 좋다.
도 10에는, 전술한 바와 같은 가변 루버(38)를 내장한 가스 유입장치(36)를 바닥부의 둘레 테두리 근방에 구비한 탱크(31)가 도시되어 있다. 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)은 탱크(31)의 바닥부보다 하방으로 배관되어 있고, 탱크(31)의 입구(31a)가 탱크 바닥부에서의 둘레 테두리 근방으로 개구되어 있다. 이 개구(31a)의 하부에 가스 유입장치(36)가 설치되어 있다. 이 구성에 의해서도 도 8의 탱크(31)와 동일하게, 칼로리미터(8, 9, 12)에 의한 검출 및 제어장치(5)의 제어에 의해서 효과적인 시간차 혼합이 실현된다.
가스의 유입 방향을 변경하기 위한 가스 유입장치로서는 가변 루버(38)를 구비한 상기 장치(36)에 한정되지 않는다. 가스의 유입 방향을 외부로부터 임의로 변경할 수 있는 어떠한 공지의 바람직한 수단도 채용할 수가 있다. 또한, 가스 유입 장치(36)는 가동 뚜껑 부재(33a)를 구비한 탱크(31)에 한하지 않고, 용적을 변경할 수 없는 고정형식의 탱크(10)(도 1, 도 11 참조)에도 설치하는 것이 가능하다.
이상 설명한 가스 유입장치(36)는, 탱크로 유입하는 가스의 흐름을 횡방향으로 변화시키기 위하여 이용할 수도 있다. 즉, 가스 유입장치(36) 전체를 그 중심축 둘레로 0° ~ 90°의 범위로 회전 가능한 구성으로 하여 탱크(10, 23, 31)에 설치한다. 이렇게 하면, 전술한 바와 같이 칼로리미터(8, 9, 11)에 의해서 탱크에서의 칼로리 변동 억제 효과를 연속적으로 확인하면서 가스 유입 방향을 횡방향으로도 변화시켜서 최적인 유입 방향을 설정할 수가 있다.
도 11에 나타낸 탱크(31)는 그의 둘레벽의 하단 근방에 입구(10a)와 출구(10b)가 형성되어 있고, 출구(10b)에는 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되어 있으나, 입구(10a)로부터는 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 탱크 내부로 삽입되어 있다. 탱크 내부에 있어서, 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 선단에는 상방으로 경사진 경사관 부재(35)가 플랜지 등의 접속 부재(40)에 의해 착탈 가능하게 접속되어 있다. 물론, 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)을 입구(10a)에 접속하고, 입구(10a)의 내측에 경사관 부재(35)를 착탈 가능하게 접속하여도 좋다. 이 탱크(10)는 가동식 뚜껑 부재를 가지지 않고, 천정 높이가 고정되어 있기 때문에, 가스의 유입방향을 빈번하게 바꿀 필요가 없다. 따라서, 저칼로리 가스의 유량을 대폭적으로 변경할 때 등에, 경사 각도가 상이한 경사관 부재(35)로 교체할 수 있도록 하고 있다. 또한, 이 경사관 부재(35)를 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 중심축 둘레로 회전시켜서(예를 들면, 상호의 플랜지(40)의 볼 트 구멍 1피치 또는 그것 이상 비켜서) 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 부착하는 것에 의해, 유입 방향을 상하에 한하지 않고 좌우로(횡방향으로)도 변화시킬 수가 있다. 경사각도가 상이한 경사관 부재(35)를 상기와 같이 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 중심축 둘레로 회전시켜서 바꿔 붙이는 것에 의해, 유입 방향을 상하로 변화시키지 않고 좌우로만 변화시킬 수가 있다.
도 12에 도시된 탱크(31)에는 3개의 입구(31a)가 형성되고, 각 입구(31a)에 상류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 분기관(상류 측 분기관)(3a)이 경사관 부재(35)를 개재하여 접속되어 있다. 입구(31a) 및 상류 측 분기관(3a)은 3개에 한정되지 않고, 복수개여도 좋다. 상기 복수개의 입구(31a)는 간격을 두고서 탱크의 둘레벽(바닥부여도 좋다)에 형성되어 있다. 각 상류 측 분기관(3a)에는 스톱 밸브(유량 조절 밸브여도 좋다)(41)가 설치되어 있고, 이들을 적정하게 선택하여 개폐할 수가 있다. 상기 제어장치(5)에 의해, 3대의 스톱 밸브(41)를 차례로 개폐하여 3개의 상류 측 분기관(3a)을 주기적으로 또는 비주기적으로 절환하는 것에 의해, 탱크 안으로의 가스 유입 위치를 변화시킬 수 있다.
또는, 상기 스톱 밸브(41)에 대신하여 유량 조절 밸브를 이용하는 것에 의해, 3개의 상류 측 분기관(3a)을 통한 가스의 유량을 주기적으로 또는 비주기적으로 상이하게 할 수도 있다. 이와 같이 하여 제어장치(5)는 탱크 안의 가스 흐름의 양태를 최적화하도록 제어한다. 이 최적의 양태는 많은 조업 데이터에 기초하여 작성된 데이터 세트를 기준으로 하여, 유사한 조업 상황(가스 칼로리, 가스 유량, 가스 성분, 탱크 내 체류 시간 등)에 가장 적합한 데이터 세트를 적용할 수 있다. 또 한, 상기 경사관 부재(35)를 개재하지 않아도 좋지만, 경사관 부재(35)를 설치하는 것에 의해 한층 더 효과적인 시간차 혼합이 실현된다.
또한, 상기 복수개의 경사관 부재(35)의 중심축이 향하는 방향, 특히 상하 방향의 경사 각도를 달리하고 있어도 좋다. 이와 같이 하면, 탱크의 천정 높이의 변화 등의 조건 변화에 대응하여 적절한 가스의 유입 방향을 선택할 수가 있다.
도 12에 도시되어 있지는 않지만, 복수개의 상류 분기관(3a)과 함께 복수개의 하류 측 분기관을 설치하여도 좋다. 각 하류 측 분기관에 스톱 밸브 또는 유량 조절 밸브를 설치하고, 이들을 적정하게 선택하여 개폐할 수 있도록 구성하여도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 상기 제어장치(5)에 의해, 3개의 상류 측 분기관(3a)을 주기적으로 또는 비주기적으로 절환하거나 유량을 변화시키는 것과 동시에, 하류 측 분기관도 주기적으로 또는 비주기적으로 절환하거나 유량을 변화시킬 수가 있다. 따라서, 전술한 상류 측 분기관(3a)만의 제어에 비하여, 가스의 시간차 혼합에 있어서 한층 바람직한 가스 흐름의 양태를 실현하는 것이 가능해진다.
상기 탱크(31)의 평면도인 도 12의 (a)에는, 상류 분기관(3a)과 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 마주보는 위치(탱크의 중심축에 대하여 180°위치)에 접속되어 있으나, 이러한 구성에 한정되지 않는다. 마주보지 않는 위치여도 좋다. 예를 들면 양쪽 배관(3a, 3)이 90°, 120°, 135°등의 각도를 이루는 위치에 접속되어도 좋다. 가스가 탱크 안에 더욱 오랫동안 체류할 가능성이 있기 때문이다. 이것은 타 탱크(도 6 ~ 도 8, 도 10, 도 11, 도 13 ~ 도 19)에 대해서도 동일하게 말할 수 있는 것이다.
도 13에 도시된 탱크(31)는, 도 12의 탱크(31)의 복수개의 입구(31a) 각각에 전술한 것과 같은 가스 유입장치(36)(도 9 참조)가 설치된 것이다. 여기에서는 가스 유입장치(36)의 설명을 생략한다. 이 탱크(31)에도 전술한 복수개의 하류 측 분기관을 설치하여도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 도 12를 참조하면서 설명한 제어에 의해 시간차 혼합의 효과에 더하여, 가변 루버(38)에 의한 가스 흐름 방향의 제어도 가능하기 때문에, 가스의 시간차 혼합에 있어서 한층 바람직한 가스 흐름의 양태를 실현하는 것이 가능해진다.
도 14 ~ 도 19에는 각각, 저칼로리 가스를 희석하기 위한 불활성 가스를 탱크로 투입하는 기구를 구비한 탱크(31)가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 저칼로리 가스 공급 배관(3)에는, 그의 버퍼 탱크(10)의 하류 측에 불활성 가스 등의 희석 가스를 공급하기 위한 희석 가스 공급 배관(4)이 설치되어 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 버퍼 탱크(10, 31)에 의해 그의 칼로리 변동이 억제된 후의 저칼로리 가스의 평균 칼로리 값이 가스 터빈 고유의 허용 칼로리 값의 범위를 초과하는 경우에 희석 가스에 의해 칼로리 값을 낮추는 것이 목적이다. 그러나 상기 평균 칼로리 값을 낮추기에 필요한 희석 가스를 사전에 버퍼 탱크(10, 31)에 투입하도록 하면, 상기 희석 가스 공급 배관(4)을 이용하여 행하는 칼로리 제어는 간소화되거나 또는 불필요하게 되므로 유리하다. 예를 들면, 입구 칼로리미터(8)의 검출 결과로부터 입구측의 저칼로리 가스의 평균 칼로리 값을 산출하고, 이 평균 칼로리 값이 가스 터빈 고유의 허용 칼로리 값의 범위를 초과하는 경우에, 칼로리 값을 허용 범위 이내로 낮추기에 필요한 양의 희석 가스를 탱크로 투입한다. 또는, 입구측의 저 칼로리 가스의 평균 칼로리 값이 급격하게 상승한 때에, 그때의 출구측의 평균칼로리 값과 거의 같아지도록 필요한 양의 희석 가스를 탱크로 투입한다.
그러나 저칼로리 가스와 투입할 불활성 가스와의 양적인 관계에만 주목할 것이 아니라, 이것에 더하여 양 가스의 혼합의 촉진을 도모하는 것이 바람직하다. 이러한 이유에서부터, 도 14 ~ 도 19에 도시된 탱크(31)에는 상기 희석 가스 공급 배관(4)과 함께 또는 이 배관(3)에 대신하여, 바람직한 불활성 가스 공급 기구가 탱크(31)에 접속되어 있다. 이와 같이, 탱크(10, 23, 31, 47) 또는 그의 상류로부터 저칼로리 가스와는 별도로 불활성 가스를 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 공급하는 경우, 탱크(10)의 하류 측에 설치된 유량계(11)(도 1 참조)와는 별도로, 저칼로리 가스의 유량만을 계측하는 유량계(29)를 불활성 가스의 공급 지점보다 상류의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 설치하고 있다(도 14 ~ 도 19 참조).
도 14 및 도 15에 도시된 탱크(31)의 입구(31a)에는, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 동일한 경사관 부재(35)를 개재하여 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되어 있다. 이 점에 관하여는 상세한 설명을 생략한다. 그러나 이 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3) 내부에는 불활성 가스 공급 배관(42)이 삽입되어 접속되어 있고, 그 선단이 개방되어 불활성 가스를 저칼로리 가스의 흐름에 혼입시키도록 구성되어 있다. 따라서, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 불활성 가스 공급 배관(42)이 삽입되어 있는 범위는 2중관으로서 구성되어 있다. 불활성 가스의 유속은 저칼로리 가스의 유속보다 저속으로 하는 것이 혼합성 향상의 관점에서 바람직하다. 이상 설명한 구성에 의해, 불활성 가스는 저칼로리 가스와 동일한 유입 방향으 로 탱크 안에 투입되고, 저칼로리 가스 중에 불활성 가스가 불균일하게 분포하는 것이 방지된다.
도 16 및 도 17에 도시된 탱크(31)는, 도 14 및 도 15에 도시된 탱크(31)의 경사관 부재(35)에 대신하여 도 9에 도시된 바와 같은 가스 유입장치(36)가 설치된 것이다. 가스 유입장치(36)의 구조, 기능에 대해서는 설명을 생략한다. 이 탱크(31)에서는 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 불활성 가스 공급 배관(42)의 2중관을 구비하고 있으므로, 가변 루버(38)에 의해서 유입 방향을 바꿀 수 있더라도, 탱크 안으로 유입하는 저칼로리 가스와 불활성 가스는 동일 방향으로 유입한다. 이러한 구성에 의해, 탱크 안에서 저칼로리 가스 중에 불활성 가스가 불균일하게 분포하는 것이 방지된다. 상기 2중관은 필요에 따라서 3중관 등의 다중관으로 하여도 좋다.
도 18에 도시된 탱크(31)에는 근접한 2개의 입구(31a, 42a)가 형성되어 있다. 한쪽 입구(31a)에는 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 경사관 부재(35)를 개재하여 접속되어 있고, 다른 쪽 입구(42a)에는 불활성 가스 공급 배관(42)이 경사관 부재(35)를 개재하여 접속되어 있다. 탱크 안으로의 저칼로리 가스와 불활성 가스의 유입 방향이 거의 수평이 되도록, 양 경사관 부재(35)의 수평으로부터의 경사각도는 거의 동일하게 되어 있다. 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 불활성 가스 공급 배관(42)은 도시된 바와 같이 상하로 근접하여 배관하고 있으나, 횡방향으로 근접하여 배관하여도 좋다.
이상 설명한 탱크의 경사관 부재를 이용하는 것에 관해서는, 특히 경사관 부재에 한정되는 것은 아니다. 가스의 유입 방향을 고정적으로 경사시킬 수 있는 다 른 적절한 수단을 이용하여도 좋다. 예를 들면, 경사 각도가 고정된 루버를 내장한 하우징을 탱크의 입구(10a, 31a)에 설치하거나, 탱크 내부에서의 입구 근방에 경사각도가 고정된 루버를 설치하여도 좋다.
도 19에 도시된 탱크(31)는, 도 18에 도시된 탱크(31)의 경사관 부재(35)에 대신하여 도 9에 도시한 것과 같은 가스 유입장치(36)가 불활성 가스 공급 배관용 입구(42a)에 설치된 것이다. 가스 유입장치(36)의 구조, 기능에 대하여는 설명을 생략한다. 이 탱크(31)에서는 상하로 근접한 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 불활성 가스 공급 배관(42)은 모두 가스 유입장치(36)를 구비하고 있으므로, 양 가스의 유입 방향을 거의 동일 방향으로 하는 것이 가능하다. 그러나 양 가스 탱크로의 유입 속도가 상이한 것과 같은 특별한 경우에, 양 가스의 유입 방향을 바꿀 수 있기 때문에, 다양한 제어가 가능해진다. 이러한 구성에 의해, 탱크 안에서 저칼로리 가스 중에 불활성 가스가 불균일하게 분포하는 것이 방지된다.
이상 설명한 탱크(10, 31)로 투입할 불활성 가스로서는, 용광로 법, 및 FINEX 법이나 COREX 법 등의 직접환원제철법에서 사용되는 산소 제조 플랜트로부터 방산되는 폐기 질소, 및 산소 제조 플랜트에 병설되는 질소 제조 플랜트로부터 배출되는 산소를 미량 함유한 폐기 질소를 사용하는 것이 바람직하다. 대량으로 폐기되는 질소를 회수하여 사용하는 것으로 조업 비용이 극히 저렴해지기 때문이다.
FINEX 법이나 COREX 법 등의 직접환원제철법의 경우, 환원제로서 산소를 이용하므로, 산소를 대량으로 제조하는 산소 제조 플랜트의 설치가 필수적이다. 용광로 법에 있어서도 산소를 사용하므로 규모의 차이는 있더라도 산소 제조 플랜트를 사용한다. 산소 제조 플랜트는 공기로부터 질소를 분리하여 산소를 제조하는 것이나, 산소를 분리한 후의 배출 가스는 폐기 질소로서 통상은 대기로 방산된다. 한편, 산소 제조 플랜트에 질소 제조 플랜트를 병설하여 고순도의 질소를 제조하는 것도 많이 있으나, 이 경우에도 산소를 미량으로 함유한 질소는 폐기 질소로서 대기로 방산된다. 이와 같은 폐기 질소는 질소 가스가 95 ~ 98 질량% 정도, 더불어 산소가 2 ~ 5% 정도의 가스 조성을 가져, 저 칼로리 가스의 가연 한계의 관점에서도 극히 안전한 희석 가스이다. 물론, 봄베(bomb) 등에 충전되어 있는 순수 질소를 이용하여도 좋다.
상기 불활성 가스 공급 배관(42)과 같이 저칼로리 가스를 희석할 목적으로, 불활성 가스에 대신하여, 공기 또는 연소 설비에서 발생하는 배출 가스를 탱크 안으로 공급하는 설비를 설치하여도 좋다. 이 공급 방법으로서는, 불활성 가스와 동일하게 탱크에 직접 공급하거나, 탱크보다 상류의 저칼로리 가스 공급 배관에 공급한다. 다만, 공기나 배출 가스는 질소를 함유하고 있으므로 저칼로리 가스의 가연 한계에 기초하여 저칼로리 가스의 혼합 비율을 결정할 필요가 있다. 또한, 저칼로리 가스와 충분히 혼합시켜, 함유 산소의 농도가 높은 부분이 생기지 않도록 할 필요가 있다. 그를 위하여, 공기 또는 배출 가스의 공급 배관과 탱크 또는 저칼로리 가스 공급 배관과의 접속부에는 혼합기를 설치하는 것이 바람직하다.
도 12, 도 13 및 도 19를 참조하면서 설명한 탱크(31)에서는, 복수의 배관으로부터 유입하는 저칼로리 가스(및 불활성 가스)의 유입 방향이 평면에서 보아 평행해지도록 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3), 경사관 부재(35) 및 가스 유입장 치(36)의 방향 처리를 한 다음 탱크에 접속하고 있다. 그러나 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 가스 유입 방향이 평면에서 보아 탱크의 중심축을 향하는 방향으로 유입하도록 구성하여도 좋다.
도 20 및 도 21에는, 버퍼 탱크(10) 내의 가스의 시간차 혼합의 시뮬레이션 결과가, 체류 시간과 누적 가스 유량과의 관계를 나타내는 곡선으로서 도시되어 있다. 양 도면과 함께 탱크 내에서의 가스의 체류 시간(분)을 횡축으로 취하고, 체류하는 가스의 비율을 종축으로 취하고 있다. 도 20의 그래프 중의 곡선은 가스의 완전 혼합이 이루어지는 상태를 나타내고 있다. 즉, 가스가 입구로부터 탱크 안으로 유입함과 동시에, 그때까지 탱크 안에 존재하고 있던 가스와 단번에 혼합해 버리는 상태를 나타낸다. 이들 도면은, 탱크의 용적을 40,000㎥으로 하고, 유입하는 가스의 유량을 5N㎥/hr으로 한 조건하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
이 그래프가 의미하는 바는, 횡축에 표시한 소정 시간에 출구로 유출하는 가스의 비율, 즉 탱크 전체의 가스 용적에 대한 비율을 나타내고 있다. 종축의 1.0이라는 수치는 탱크 전체의 가스 용적을 표시하고 있다. 예를 들면, 도면 중의 횡축상의 수치 500초로부터 600초(이것은 탱크로 유입하고 나서 경과한 시간을, 즉 체류시간을 나타냄)의 100초간(참조 부호 H1으로 표시함)에 출구로부터 유출하는 가스의 전체 가스에 대한 비율(V1)은, 약 0.689 - 약 0.621 = 약 0.068(약 6.8%)인 것을 나타낸다. 바꾸어 말하면, 탱크 안에 유입하고 나서 500초 이후로부터 600초 이후까지 사이에 체류하고 있는 가스는 탱크 내 전체 가스의 약 6.8%이라는 것이다. 탱크에 유입하고 나서 100초를 경과하지 않은(0초 이후로부터 100초까지 밖에 체류하지 않은 것이고, H2로 표시함) 가스는, 약 0.176 - 0 = 약 0.176이고, 전체의 약 17.6% 존재하고 있으나(V2로 표시함), 탱크에 유입하고 나서 900초 이후로부터 1,000초까지 사이 체류하고 있는(H3로 표시함) 가스는 약 0.863 - 약 0.834 = 약 0.029이고, 전체의 약 2.9%밖에 존재하고 있지 않는다는 것(V3로 표시함)을 알 수 있다.
시간차 혼합의 이상(理想)은, 유입시로부터의 경과 시간에 관계없이 가스가 동일 비율로 혼합되어 있는 상태, 즉 그래프에 나타나는 선이 직선인 것이 이상적이다. 그러나 이것은 현실에는 존재하지 않는 상태이다. 도 20에 도시된 바와 같은 완전 혼합이 이루어지는 상태를, 가장 양호한 시간차 혼합이 이루어지는 상태라고 생각하는 것이 타당하다.
도 21에는, 전술한 완전 혼합 상태와 대비할 수 있도록, 동일 조건하에서 탱크 입구로부터 3종류의 앙각을 이루는 방향으로 유입하는 가스의 시간차 혼합의 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 완전 혼합 상태에 대하여서는 실선으로 나타내고, 수평으로부터 60°의 앙각을 이루어 유입하는 경우를 2점 쇄선으로 나타내고, 수평으로부터 65°의 앙각을 이루어 유입하는 경우를 일점 쇄선으로 나타내며, 수평으로부터 90°의 앙각을 이루어(거의 연직 상방으로) 유입하는 경우를 점선으로 나타내고 있다. 앙각을 이루어 유입하는 어떠한 경우도 완전 혼합 상태는 일치하지 않더라도 근접한 곡선은 그리고 있다. 즉, 양호한 시간차 혼합이 이루어지고 있다라고 말할 수 있다. 그 결과, 도 2 ~ 도 5를 참조하면서 설명한 바와 같이 가스 칼로리의 변동이 효과적으로 억제된다.
도 22에는, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 말하자면 병렬로 설치된 버퍼 탱크, 바꾸어 말하면, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 부설된 바이패스(bypass) 배관에 설치된 버퍼 탱크가 도시되어 있다. 이 버퍼 탱크는, 기존의 저칼로리 가스 공급 설비에 설치되어 있는 가스 홀더를 약간의 구조 변경에 의해 가스 칼로리 변동 억제 장치로 겸용하는 것이다. 종래의 저칼로리 가스 공급 설비에 설치되어 있는 가스 홀더는 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 1개의 연통관에 의해서만 접속되어 있다. 상기 1개의 연통관이 출입구를 겸하고 있다. 가스 홀더는 저칼로리 가스 공급 배관 내의 가스 수급(需給)의 밸런스를 도모하는 것만으로 좋은 것이기 때문에, 저칼로리 가스 공급 배관과는 1개의 연통관으로 연통해 두면 좋다.
도시된 바와 같이, 탱크(31)에는 상기 연통관(43)이 접속되어 있고, 이 연통관(43) 이외에 새롭게 저칼로리 공급 배관(3)과 연통하는 입구 배관(44)이 접속되어 있다. 입구 배관(44)과 연통관(43)이 상기 바이패스 배관을 구성하고 있다. 이 입구 배관(44)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 연통관(43)과의 접속부보다 상류 측에 접속되어 있다. 이 입구 배관(44)에는 저칼로리 가스를 탱크(31)로 보내는 가스 압송장치로서의 팬(45)이 설치되어 있다. 따라서, 공급되는 저칼로리 가스의 일부는 입구 배관(44)을 통과하여 탱크(31)로 유입되고, 탱크(31) 안에서 저칼로리 가스가 시간차 혼합되며, 동일한 양의 가스가 상기 연통관(43)을 통과하여 탱크(31)로부터 저칼로리 가스 공급 배관(3)으로 되돌아간다. 따라서, 이 경우는 상기 연통관(43)은 출구 배관이라고도 부른다.
도시하지는 않았지만, 상기 입구 배관(44)이 접속되는 탱크의 입구(31a)에는 전술한 경사관 부재(35) 또는 가스 유입 장치(36)가 접속되어 있다. 이 탱크(31)에 의해, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 의해서 가스 터빈으로 공급되는 저칼로리 가스의 일부에 대하여 그의 칼로리 변동이 억제된다.
도 23에는 칼로리 변동 억제 수단으로서 이용할 수 있는 다른 가스량 밸런스 감시장치(46)가 도시되어 있다. 이 가스량 밸런스 감시장치(46)는, 더욱 경제적인 구성을 취하고 있고, 입구(47a)와 출구(47b)가 각각 연통관(43) 및 입구 배관(44)에 의해서 저칼로리 가스 공급 배관(3)과 연통된 기밀 구조의 탱크(47)를 가지고 있다. 탱크(47)에는 압력 검출 장치(48)가 설치되어, 탱크(47)의 내압이 항상 감시된다. 제어장치(5)는, 검출 압력이 상한(上限) 영역에 이르면 설비 내의 가스 소비량을 증가하는 지령을 출력하여, 가스의 수급 밸런스를 취한다. 그 이외의 구조는 전술한 버퍼 탱크(10)(도 1 참조)와 동일하고, 칼로리 변동 억제 수단으로서 충분히 이용 가능하다.
도시하지는 않았지만, 상기 입구 배관(44)이 접속되는 탱크의 입구(47a)에는 전술한 경사관 부재(35) 또는 가스 유입 장치(36)가 접속되어 있다. 이 탱크(47)에 의해, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 의해 가스 터빈으로 공급되는 저칼로리 가스의 일부에 대하여 그의 칼로리 변동이 억제된다.
도 24는 칼로리 변동하는 저칼로리 가스가 유량 500,000N㎥/hr로 공급되는 설비에 있어서, 도 22 또는 도 23 중의 탱크(31, 47)의 용적을 200,000㎥으로 하고, 상기 팬(45)에 의해서 500,000N㎥/hr 중 200,000N㎥/hr의 가스를 탱크(31(47)) 로 보내는 경우의 칼로리 변동의 억제 상태를 나타내는 그래프이다. 도면 중에 점선으로 표시한 곡선은 직접환원제철설비(S)로부터 보내져 오는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(고유 변동)을 나타내고 있다. 이것은 전술한 실제 측정 샘플이다. 2점 쇄선으로 표시한 곡선은 탱크를 나와서 상기 연통관(43)을 통과하는 저칼로리 가스의 칼로리 변동(과도(過渡) 변동)의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 실선으로 나타낸 곡선은, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 연통관(43)이 접속된 지점보다 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3) 부분을 흐르는 가스의 칼로리 변동(억제 후 변동)을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 탱크(31, 47)에 들어가기 전의 저칼로리 가스의 칼로리는 평균치(1,945㎉/N㎥)의 약 ±21%의 변동폭을 가진다. 그런데 탱크(31(47))로부터 연통관(43)을 통과하여 저칼로리 가스 공급 배관(3)으로 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, 가스 홀더용 탱크(31, 47)를 가지는 기존 설비를 이용하여 가스 칼로리 변동을 억제하는 것도 가능하다. 그리고 하류에서 공기에 의한 저칼로리 가스의 희석을 용이하게 행할 수가 있게 된다. 또한, 도 22 및 도 23에서는, 저칼로리 가스를 탱크(31, 47)로 보내는 입구 배관(44)이, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 출구 배관(연통관)(43)보다 상류 측에 접속되어 있으나, 특별히 이러한 구성에 한정되지 않고, 출구 배관(43)보다 하류 측에 접속하여도 좋다. 또한, 양 관(43, 44) 모두 복수 라인으로 설치하여도 좋다.
도 25에도 도 22의 탱크와 동일하게 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 병렬로 설치된 버퍼 탱크(31)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 탱크(31)와 저칼로리 가스 공급 배관(3) 사이에는, 팬(45)을 구비한 입구 배관(44)과, 출구 배관으로서의 상기 연통관(43)이 접속되어 있다. 즉, 탱크(31)의 입구(31a)에는 입구 배관(44)이 접속되고, 출구(31b)에는 출구 배관(43)이 접속되어 있다. 그러나 상기 탱크(31)에는 새로운 입구(49a)가 형성되고, 이 입구(49a)에 귀환 배관(49)이 접속되어 있다. 귀환 배관(49)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 출구 배관(43)과의 접속부보다 하류 측에 접속되어 있다. 상기 귀환 배관(49)에는 저칼로리 가스를 탱크(31)로 보내는 팬(45)이 설치되어 있다. 도시한 바와 같이, 입구 배관(44) 및 귀환 배관(49)의 탱크(31)로의 접속위치(입구(31a, 49a))는 서로 근접하고 있다.
이러한 구성에 의하면, 탱크(31)에는 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 상류 측으로부터 입구 배관(44)을 통하여 저칼로리 가스의 일부가 압송되고, 동시에 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 귀환 배관(49)을 통하여 저칼로리 가스의 일부가 압송되어, 시간차 혼합하여 출구(31b)로부터 연통관으로 유출한다. 결국, 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부가 순환하기 때문에, 탱크 내에서 장시간에 걸쳐 시간차 혼합이 실현된다. 귀환 배관(49)의 길이를 길게 할수록, 시간차 혼합되는 가스의 체류 시간이 길어져, 한층 바람직한 혼합이 실현된다. 상기 귀환 배관(49)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 탱크(31)의 입구(49a)에 접속되어 있으나, 하류 측으로부터, 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 입구배관(44)과의 접속부보다 상류 측에 접속하여도 좋다.
도 26에도 저칼로리 가스 공급 배관(3)에 대하여 병렬로 설치된 버퍼 탱 크(31)가 도시되어 있다. 도시된 것과 같이, 탱크(31)와 저칼로리 가스 공급 배관(3) 사이에는, 입구 배관(44) 및 출구 배관(41)으로서의 상기 연통관(43)이 접속되어 있다. 그러나 입구 배관(44)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 연통관(43)과의 접속부보다 하류 측에 접속되어 있다. 이 입구 배관(44)에는 저칼로리 가스를 탱크(31)로 보내는 팬(45)이 설치되어 있다. 바꾸어 말하면, 도 26의 버퍼 탱크(31)와 저칼로리 가스 공급 배관(3)과의 사이의 배관은, 도 25에 도시된 버퍼 탱크(31)로부터 입구 배관(44)을 제거하고, 도 25에 도시된 귀환 배관(49)을 입구 배관(44)으로 삼은 구성이다.
이러한 구성에 의하면, 입구 배관(44)이 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 연통관(43)과의 접속부보다 하류 측에 접속되어 있더라도, 저칼로리 가스는 팬(4)에 의해 입구 배관(44)을 통하여 탱크(31) 안으로 보내져, 시간차 혼합하여 출구(31b)로부터 연통관으로 유출된다. 결국, 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부가 순환하기 때문에 효과적인 시간차 혼합이 이루어진다. 그리고 상기 입구 배관(44)의 길이를 길게 하면, 탱크 안에서 더욱 오랜 시간에 걸쳐 시간차 혼합이 실현된다.
도 27에 도시된 탱크(31)는 2종류의 입구(31a, 49a)를 가지고 있다. 한쪽 입구(31a)에는 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되고, 출구(31b)에는 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)이 접속되며, 또한, 다른 쪽 입구(49a)에는 하류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3)과의 사이에 귀환 배관(49)이 접속되어 있다. 2개의 입구(31a, 49a)는 근접하여 형성되어 있다. 귀환 배관(49)에는 저칼로리 가스를 탱크 로 보내기 위한 팬(45)이 설치되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 탱크(31)에서 칼로리 변동이 억제된 저칼로리 가스의 일부는 다시 탱크(31)로 되돌아가서 재차 시간차 혼합하기 때문에, 한층 바람직한 시간차 혼합이 실현된다. 귀환 배관(49)의 길이를 길게 할수록 시간차 혼합되는 가스의 체류시간이 길어진다. 상기 귀환 배관(49)은 저칼로리 가스 공급 배관(3)의 하류 측으로부터 탱크(3)의 입구(49a)에 접속되어 있으나, 하류 측으로부터, 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 탱크보다 상류 측에 접속되어도 좋다.
이상의 버퍼 탱크(31)(도 25 ~ 도 27)에 접속된 상류 측 저칼로리 가스 공급 배관(3) 및 귀환 배관(49)에 대하여도, 경사관 부재(35) 및 가스 유입 장치(36)를 적용할 수가 있다.
도 28에는 보일러 설비가 도시되어 있다. 이 보일러 설비에는, 보일러(52)와, 이 보일러(52)에 연료로서의 저칼로리 가스를 공급하기 위한 저칼로리 가스 공급 설비(51)가 설치되어 있다. 상기 보일러(52)는 가스를 버너에서 연소시켜 증기를 발생하고, 이것을 발전에 이용하거나, 발생한 증기를 다른 용도로 사용하는 증기 공급용으로서 이용하는 것이다.
상기 저칼로리 공급 설비(51)는, 도 1에 도시된 저칼로리 가스 공급 설비(1)로부터, 버퍼 탱크(10)의 하류 측의 저칼로리 가스 공급 배관(3) 및 혼합 가스 공급 배관(13)에 설치된 기기류를 제거한 것이다. 즉, 도시된 저칼로리 공급 설비(51)는, 직접환원제철설비(S)에서 발생한 저칼로리 가스를 보일러(52)에 연료로서 공급하는 저칼로리 가스 공급 배관(53)을 구비하고 있다. 이 저칼로리 가스 공 급 배관(53)에는, 직접환원제철설비(S)로부터 보내져 온 저칼로리 가스를 제진하기 위한 제진장치(7), 저칼로리 가스를 1차 저장하기 위한 버퍼 탱크(10), 버퍼 탱크(10)의 상류 측 및 하류 측에 저칼로리 가스의 발열량을 검출하기 위한 발열량 검출장치(8, 9), 저칼로리 가스의 공급량을 계측하는 유량계(54)가 설치되어 있다. 도 1에 도시된 저칼로리 가스 공급설비(1)의 기기, 배관류와 같은 것에는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
이 보일러용 저칼로리 가스 공급설비(51)에 설치하는 버퍼 탱크는 도 28에 도시된 용적이 변화하지 않는 고정형태의 탱크(10)에 한정되지 않고, 이미 설명한 타 탱크(23, 31, 47)를 적용할 수도 있다. 이 저칼로리 가스 공급 설비(1)에는 희석 가스 공급 설비가 설치되어 있지 않다. 이것은, 보일러에 의해서 버퍼 탱크(10, 23, 31, 47)에 의한 칼로리 변동 자체의 억제는 안정된 출력을 얻기 위하여 바람직한 것이지만, 전술한 저칼로리 가스의 칼로리 변동에 의해 상승한 정도의 높이의 칼로리 값은 큰 문제를 일으키는 것은 아니기 때문이다.
도 28에는 저칼로리 가스 공급 설비(51)에 의한 저칼로리 가스의 공급 대상인 연소 설비로서 보일러(52)만이 설치되어 있다. 그러나 이러한 구성에만 한정되지 아니한다. 보일러(52)와 함께, 가스 터빈(2)(도 1)을 설치하여도 좋고, 다른 연소 설비를 병설하여도 좋다. 예를 들면 도 1에 도시된 가스 터빈(2)과 보일러(52)를 병설하는 경우, 도 1의 저칼로리 가스 공급 배관(3)에서의 칼로리미터(9)와 유량계(11) 사이 부분에, 도 28 중의 칼로리미터(9)의 하류 측으로부터 보일러(52)에 이르는 저칼로리 가스 공급 배관(53)을 분기하도록 접속하면 좋다.
이상 설명한 실시예에서는, 연소 설비로서 가스 터빈 및 보일러를 예시하고 있으나, 본 발명에 있어서의 연소 설비는 가스 터빈이나 보일러에 한정되지 아니한다. 여기에서 설명한 가스 칼로리 변동 억제 장치 및 저칼로리 가스 공급 설비는, 타 연소설비, 예를 들면, 가열로, 소각로 등에 적용하는 것도 가능하다.
이상 설명한 실시예에서는, 사용할 저칼로리 가스로서 직접환원제철법에 의해서 발생하는 부산물 가스를 예시하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 저칼로리 가스로서는, 용광로 가스(BFG), 코크스로 가스(COG), 전로(轉爐) 가스(LDG), 석탄층에 함유되는 석탄층 가스(Coal mine gas로서, 'CMG'로 표시한다), 용융환원제철법에 의해서 발생하는 부산물 가스, GTL(Gas-to-Liquid) 프로세스에서 발생하는 테일 가스(Tail gas), 오일 샌드(Oil sand)로부터 오일 정제 프로세스에 수반하여 발생하는 부산물 가스, 플라스마를 이용한 쓰레기 소각에 의해서 발생하는 가스, 생활 쓰레기를 포함하는 일반 폐기물이 그의 매립지에서 발효, 분해하는 과정에서 발생하는 메탄가스(Landfill gas), 및 그 밖의 유사한 원료를 화학 반응시키는 것에 수반하여 발생하는 부산물 가스 등의 저칼로리 가스 등이 포함된다. 물론, BFG와 COG의 혼합 가스로서 이용할 수 있도록, 상기 가스를 단독은 물론, 2종류 이상의 가스를 적정하게 혼합하여 사용하는 경우에도 본 발명을 적용할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 프로세스 부산물 가스와 같이 칼로리가 변동할 수 있는 저칼로리 가스를 가스 터빈 등의 연소 설비에 연료 가스로서 공급하는 경우, 저칼 로리 가스의 칼로리 변동을 억제할 수가 있으므로, 희석 가스에 의한 희석이 효과적임과 더불어 용이하게 이루어진다. 또한, 희석 가스에 의한 희석이 필요 없도록 하는 경우가 있다. 또한, 기존의 가스 홀더를 유용하여 가스 칼로리의 변동을 억제하는 장치를 구축하는 것도 가능하다.

Claims (28)

  1. 가스를 연료로서 연소 설비에 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로에 설치되고, 연료 가스를 일시적으로 저장하는 탱크와,
    상기 탱크에 형성되고, 상기 연료 가스 공급 통로로부터 탱크 안으로 연료 가스가 유입하기 위한 가스 입구와,
    상기 가스 입구와는 별도로 탱크에 형성되고, 탱크로부터 연료 가스 공급 통로로 연료 가스가 유출하기 위한 가스 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 입구가, 수평으로부터 상방 또는 하방으로 경사진 방향으로 연료 가스를 탱크 안으로 유입시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 입구로 연통되는 연료 가스 공급 통로에 연속하여 형성된 경사관 부재를 포함하고,
    상기 경사관 부재가 수평으로부터 상방 또는 하방으로 경사지는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 및 탱크 안 중 어느 한 쪽에 설치된 고정 루버를 포함하고,
    상기 고정 루버가, 경사각도가 고정된 적어도 한 장의 루버인 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가스 입구에 설치된 가스 유입 장치를 포함하고,
    상기 가스 유입 장치가, 탱크 안으로의 연료 가스 유입 각도를 변경 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 유입 장치가, 상기 가스 입구 근방에서의 연료 가스 공급 통로 안 및 탱크 안 중 어느 한쪽에 설치된 가변 루버를 구비하고,
    상기 가변 루버가, 그의 경사각도를 외부로부터 변경할 수 있도록 요동 가능하게 장착된 적어도 한 장의 루버인 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 입구가 복수개 형성되고, 해당 가스 입구들 중, 연료 가스를 탱크 안으로 유입시키는 가스 입구를 선택하여 절환할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 출구가 복수개 형성되어 있고, 상기 가스 입구의 절환에 동기하여 연료 가스를 탱크 외부로 유출시키는 가스 출구를 선택하여 절환할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 가스 입구의 탱크 안으로의 연료 가스 유입 방향이 서로 다르게 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 입구가 복수개 형성되어 있고,
    각 가스 입구에 연결되는 연료 가스 공급 통로에 설치된 유량 조정 장치를 포함하며,
    각 연료 가스 공급 통로를 유통하는 가스의 유량을 변경할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 탱크에 접속되고, 탱크 안으로 불활성 가스를 유입시키기 위한 불활성 가스 공급 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가스 입구에 연통된 연료 가스 공급 통로의 내부에 삽입되도록 하여 접속된 불활성 가스 공급 통로를 포함하고,
    상기 불활성 가스 공급 통로의 출구 단부가 상기 가스 입구보다 상류에 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 불활성 가스가, 산소 제조 플랜트 및 질소 제조 플랜트 중 적어도 어느 하나의 플랜트로부터 배출되는 폐기 질소를 회수한 것임을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  14. 제2항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 탱크에 서로 떨어져서 설치된 복수개의 제1 가스발열량 계측장치를 포함하고,
    상기 제1 가스발열량 계측장치에 의해 탱크 내의 가스의 발열량 분포를 계측할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 가스발열량 계측장치의 계측에 기초하여 탱크 내의 가스 칼로리 값의 분포를 검출하고, 해당 가스 칼로리 값의 분포에 대응하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시킬 수 있도록 제어하는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  16. 제2항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가스 입구에 연통되는 연료 가스 공급 통로에 설치되고, 입구 측의 가스 칼로리 값을 계측하기 위한 입구 가스 발열량 계측장치와,
    가스 출구에 연통되는 연료 가스 공급통로에 설치되고, 출구 측의 가스 칼로리 값을 계측하기 위한 출구 가스 발열량 계측 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 입구 가스 발열량 계측장치 및 출구 가스 발열량 계측장치의 계측치에 기초하여, 탱크로의 유입가스의 칼로리 변동과 탱크로부터의 배출가스 칼로리 변동을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시키도록 제어하는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  18. 제2항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 탱크의 천정이 상하 이동하도록 구성되어 있고,
    상기 천정의 상하 이동 방향 및 거리에 기초하여, 탱크 안으로의 가스 유입 방향을 변화시킬 수 있도록 제어하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 출구가, 가스 입구의 중심축의 연장선으로부터 어긋난 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 탱크의 내부에 가스를 교반하기 위한 교반 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 칼로리 변동 억제 장치.
  21. 연료 가스를 연료가스로서 연소 설비에 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로와,
    상기 저칼로리 공급 통로를 통하여 공급되는 연료 가스의 발열량 변동을 억제하기 위한 가스 칼로리 억제장치를 구비하고,
    상기 가스 칼로리 억제 장치가 상기 청구항 제1항 내지 제20항 중 어느 하나 의 항에 기재된 가스 칼로리 변동 억제 장치인 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
    탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
    탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 상류 측 및 하류 측 중 어느 한쪽과의 사이에 접속되는 입구 통로와,
    상기 입구 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
    탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
    탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속점보다 상류 측 및 하류 측 양쪽과의 사이에 접속되는 입구 통로와,
    각 입구 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
    탱크의 가스 출구와 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 출구 통로와,
    탱크의 가스 입구와 연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 상류 측과의 사이에 접속되는 입구 통로와,
    연료 가스 공급 통로에서의 상기 출구 통로의 접속 지점보다 하류 측과 상류 측 사이에 접속되는 귀환 통로와,
    상기 입구 통로 및 귀환 통로 각각에 설치되고, 연료 가스를 탱크 및 상류 측 연료 가스 공급 통로를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
    탱크의 가스 출구에 하류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되고,
    탱크의 일측 가스 입구에 상류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되며,
    탱크의 타측 가스 입구와 하류 측의 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 귀환 통로와,
    상기 귀환 통로에 설치되고, 연료 가스를 탱크를 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 가스 칼로리 억제 장치에 있어서의,
    탱크의 가스 출구에 하류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되고,
    탱크의 일측 가스 입구에 상류 측의 연료 가스 공급 통로가 접속되며,
    탱크보다 상류 측의 연료 가스 공급 통로와 탱크보다 하류 측의 연료 가스 공급 통로 사이에 접속되는 귀환 통로와,
    상기 귀환 통로에 설치되고, 연료 가스를 연료 가스 공급 통로의 하류 측으로부터 상류 측을 향해 압송하는 가스 압송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 설비.
  27. 연소 설비와,
    상기 연소 설비에 연료 가스로서 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 설비를 구비하고,
    상기 연소 설비가 가스 터빈이며,
    상기 연료 가스 공급 설비가, 청구항 제21항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 기재된 연료 가스 공급 설비인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 설비.
  28. 연소 설비와,
    상기 연소 설비에 연료 가스로서 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 설비를 구비하고,
    상기 연소 설비가 가스를 버너에서 연소시키는 보일러이며,
    상기 연료 가스 공급 설비가, 청구항 제21항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 기재된 연료 가스 공급 설비인 것을 특징으로 하는 보일러 설비.
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