特開2021-55867(P2021-55867A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2021-55867排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-55867(P2021-55867A)
(43)【公開日】2021年4月8日
(54)【発明の名称】排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備
(51)【国際特許分類】
   F22B 1/18 20060101AFI20210312BHJP
   C10J 3/46 20060101ALI20210312BHJP
   C10J 3/48 20060101ALI20210312BHJP
   F02C 6/00 20060101ALI20210312BHJP
   F01K 23/10 20060101ALI20210312BHJP
【FI】
   F22B1/18 D
   C10J3/46 D
   C10J3/48
   F22B1/18 C
   F02C6/00 E
   F01K23/10 U
   F01K23/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2019-176988(P2019-176988)
(22)【出願日】2019年9月27日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱パワー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】田村 憲
(72)【発明者】
【氏名】田口 淳
(72)【発明者】
【氏名】中村 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】松尾 悟
(72)【発明者】
【氏名】林 智弥
【テーマコード(参考)】
3G081
3L021
【Fターム(参考)】
3G081BA13
3G081BA16
3G081BC07
3G081DA03
3L021AA04
3L021BA03
3L021DA04
3L021FA02
(57)【要約】
【課題】ガスタービンの負荷に依らず一定圧力の補助蒸気を取り出すことができ、また、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備を提供する。
【解決手段】ガスタービンから導かれて流路82を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラ20であって、所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器92aと、第1過熱器92aの蒸気出口に接続されている蒸気配管PS1と、蒸気配管PS1に設けられている圧力調整弁100と、蒸気の流れ方向において圧力調整弁100よりも上流側の蒸気配管PS1に接続されている補助蒸気配管PS2と、蒸気の流れ方向において圧力調整弁100よりも上流側の蒸気配管PS1に設けられ、蒸気配管PS1を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計102とを備えている。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスタービンから導かれて流路を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラであって、
所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器と、
前記第1過熱器の蒸気出口に接続されている蒸気配管と、
該蒸気配管に設けられている圧力調整弁と、
蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に接続されている補助蒸気配管と、
蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に設けられ、前記蒸気配管を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計と、
を備えている排熱回収ボイラ。
【請求項2】
前記圧力計からの情報に基づいて前記圧力調整弁の開度を決定する制御部と、
を備えている請求項1に記載の排熱回収ボイラ。
【請求項3】
前記所定圧力の蒸気を生成して、前記第1過熱器に前記所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器と、
ガスの流れ方向において、前記第1蒸発器よりも下流の前記流路から排ガスを抽気する抽気配管と、
を備えている請求項1又は2に記載の排熱回収ボイラ。
【請求項4】
前記所定圧力は、第1圧力よりも高い圧力とされ、
前記第1圧力の蒸気を生成する第2蒸発器と、
を備え、
前記抽気配管は、前記第1蒸発器と前記第2蒸発器との間の前記流路から排ガスを抽気している請求項3に記載の排熱回収ボイラ。
【請求項5】
前記所定圧力よりも高い第2圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設けられた請求項1から4のいずれかに記載の排熱回収ボイラと、
前記第2過熱器から供給される蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
を備えている蒸気タービン設備。
【請求項6】
請求項1から4のいずれかに記載の排熱回収ボイラと、
炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを精製するガス精製設備と、
該ガス精製設備によって精製された燃料ガスによって駆動される前記ガスタービンと、
を備え、
前記補助蒸気配管によって取り出された蒸気は、前記ガスタービンに供給される前記燃料ガスを加熱するガス化設備。
【請求項7】
請求項3又は4に記載の排熱回収ボイラと、
炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、
を備え、
前記抽気配管によって抽気された排ガスは、前記ガス化炉に供給される前記炭素含有固体燃料を乾燥させるガス化設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備に関する。
【背景技術】
【0002】
石炭等の炭素含有固体燃料をガス化炉内に供給し、炭素含有固体燃料を部分燃焼させてガス化して複合発電を行うプラントとして、石炭ガス化複合発電(IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle)が知られている(例えば特許文献1)。
【0003】
特許文献1には、高圧過熱器、高圧蒸発器、低圧節炭器が設けられた排熱回収ボイラが開示されており、高圧過熱器から供給された蒸気によって蒸気タービンが駆動されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2017−206643号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
排熱回収ボイラによって生成された蒸気の一部は、補助蒸気として様々な機器(例えばガス化炉、ガス精製設備等)に供給されている。
【0006】
このような補助蒸気は高圧タービン出口から供給されることがあるが、特許文献1に開示されている構成の場合、補助蒸気で要求される圧力によって高圧タービン出口の圧力を設計する場合がある。この場合、補助蒸気で要求される圧力を加味して蒸気タービンを設計する必要があるので、蒸気タービンの設計の自由度が制限され、蒸気タービンを最適な条件で運転されない状態が発生し得ることとなる。
【0007】
また、ガスタービンの負荷に依っては排熱回収ボイラに導かれる排ガスの温度が変動することがある(例えば部分負荷時)。この場合、同一箇所の抽気点では一定圧力の補助蒸気を取り出せない可能性がある。このため、排ガスの温度が変動した場合に一定圧力の補助蒸気を取り出せるよう、定格負荷時の抽気点よりも高温高圧の位置に他の抽気点を設けたうえで、これらの抽気点を切り替え可能に構成することがある。しかし、抽気点を切り替え可能とした構成とすると、設備費が増加して経済性が悪化する恐れがある。
また、ガスタービンの部分負荷を考慮して、定格負荷時の抽気点に対して高温高圧側の位置に抽気点を設けることもある。しかし、この構成では、定格負荷時において余裕がある抽気点から補助蒸気を抽気することとなり効率低下の一因となる。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガスタービンの負荷に依らず一定圧力の補助蒸気を取り出すことができ、また、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明に係る排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る排熱回収ボイラは、ガスタービンから導かれて流路を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラであって、所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器と、前記第1過熱器の蒸気出口に接続されている蒸気配管と、該蒸気配管に設けられている圧力調整弁と、蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に接続されている補助蒸気配管と、蒸気の流れ方向において前記圧力調整弁よりも上流側の前記蒸気配管に設けられ、前記蒸気配管を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計とを備えている。
【0010】
本態様に係る排熱回収ボイラによれば、ガスタービンから導かれて流路を流通する排ガスによって蒸気を生成する排熱回収ボイラであって、所定圧力の蒸気を過熱する第1過熱器と、第1過熱器の蒸気出口に接続されている蒸気配管と、蒸気配管に設けられている圧力調整弁と、蒸気の流れ方向において圧力調整弁よりも上流側の蒸気配管に接続されている補助蒸気配管と、蒸気の流れ方向において圧力調整弁よりも上流側の蒸気配管に設けられ、蒸気配管を流通する蒸気の圧力を測定する圧力計とを備えている。
これによって、圧力調整弁及び圧力計を用いて補助蒸気配管に対する前圧制御(圧力調整弁によって圧力調整弁よりも上流側の圧力を制御すること)が可能な状態となり、ガスタービンの負荷に依らず一定圧力の蒸気を第1過熱器から補助蒸気配管を介して補助蒸気として取り出すことができる。ここで言う「圧力調整弁よりも上流側の圧力」とは、例えば、第1過熱器の蒸気圧、蒸気配管内の蒸気圧及び補助蒸気配管内の蒸気圧等である。
また、第1過熱器に所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器が設置される場合、圧力調整弁によってその第1蒸発器内の圧力を前圧制御によって調整することができる。
また、仮に排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側に所定圧力よりも高い圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設置されている場合であって、第2過熱器から供給される蒸気やその蒸気によって駆動される蒸気タービンから排出される蒸気を補助蒸気として取り出すとき、要求される補助蒸気の圧力に依っては蒸気タービンを最適な条件で運転することができない可能性があり、設備全体としての性能低下が懸念される。しかし、本態様のように、第1過熱器から取り出した蒸気を補助蒸気とすることで、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる。補助蒸気の供給源となる第1過熱器と蒸気タービンの駆動用蒸気の供給源となる第2過熱器とを互いに独立した過熱器としたためである。
なお、補助蒸気は、例えばガスタービンに供給される燃料ガスの加熱源に利用される。
【0011】
また、本発明の一態様に係る排熱回収ボイラは、前記圧力計からの情報に基づいて前記圧力調整弁の開度を決定する制御部とを備えている。
【0012】
本態様に係る排熱回収ボイラによれば、圧力計からの情報に基づいて圧力調整弁の開度を決定する制御部とを備えている。これによって、前圧制御を可能とする。
【0013】
また、本発明の一態様に係る排熱回収ボイラは、前記所定圧力の蒸気を生成して、前記第1過熱器に前記所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器と、ガスの流れ方向において、前記第1蒸発器よりも下流の前記流路から排ガスを抽気する抽気配管とを備えている。
【0014】
本態様に係る排熱回収ボイラによれば、所定圧力の蒸気を生成して、第1過熱器に所定圧力の蒸気を供給する第1蒸発器と、ガスの流れ方向において、第1蒸発器よりも下流の流路から排ガスを抽気する抽気配管とを備えている。
これによって、第1蒸発器の圧力を圧力調整弁によって一定に保持することで、第1蒸発器の温度を一定に保つことができる。このため、排ガスの流れ方向において第1蒸発器の下流(特に、第1蒸発器に近接している位置)の流路にある排ガスの温度を一定に保持することができる。そして、排ガスの流れ方向において第1蒸発器の下流の流路から排ガスを抽気することによって、ガスタービンの負荷に依らず一定温度の排ガスを抽気することができる。なお、抽気された排ガスは、例えば炭素含有固体燃料の乾燥に用いられる。
また、排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側から排ガスを抽気した場合と比べて、第1過熱器や第1蒸発器にて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
なお、第1蒸発器は、蒸気配管が接続された第1過熱器に蒸気を供給するよう構成されていればよく、圧力(例えば、低圧、中圧及び高圧等)は限定されない。
【0015】
また、本発明の一態様に係る排熱回収ボイラにおいて、前記所定圧力は、第1圧力よりも高い圧力とされ、前記第1圧力の蒸気を生成する第2蒸発器を備え、前記抽気配管は、前記第1蒸発器と前記第2蒸発器との間の前記流路から排ガスを抽気している。
【0016】
本態様に係る排熱回収ボイラによれば、所定圧力は第1圧力よりも高い圧力とされ、第1圧力の蒸気を生成する第2蒸発器を備え、抽気配管は、第1蒸発器と第2蒸発器との間の流路から排ガスを抽気している。
第1蒸発器の圧力を圧力調整弁によって一定に保持することで、第1蒸発器の温度を一定に保つことができる。このため、第1蒸発器と第2蒸発器との間(特に、第1蒸発器に近接している位置)の流路にある排ガスの温度を一定に保持することができる。そして、第1蒸発器と第2蒸発器との間から排ガスを抽気することによって、ガスタービンの負荷に依らず一定温度の排ガスを抽気することができる。なお、抽気された排ガスは、例えば炭素含有固体燃料の乾燥に用いられる。
また、排ガスの流れ方向において第1過熱器よりも上流側から排ガスを抽気した場合と比べて、第1過熱器や第2蒸発器にて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
【0017】
また、本発明の一態様に係る蒸気タービン設備は、前記所定圧力よりも高い第2圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設けられた上述の排熱回収ボイラと、前記第2過熱器から供給される蒸気によって駆動される蒸気タービンとを備えている。
【0018】
本態様に係る蒸気タービン設備によれば、所定圧力よりも高い第2圧力の蒸気を過熱する第2過熱器が設けられた上述の排熱回収ボイラと、第2過熱器から供給される蒸気によって駆動される蒸気タービンとを備えている。
これによれば、補助蒸気の供給源となる第1過熱器と蒸気タービンの駆動用蒸気の供給源となる第2過熱器とが独立した過熱器とすることができる。このため、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる。
【0019】
また、本発明の一態様に係るガス化設備は、上述の排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉にてガス化された生成ガスを精製するガス精製設備と、該ガス精製設備によって精製された燃料ガスによって駆動されるガスタービンとを備え、前記補助蒸気配管によって取り出された蒸気は、前記ガスタービンに供給される前記燃料ガスを加熱する。
【0020】
本態様に係るガス化設備によれば、上述の排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉と、ガス化炉にてガス化された生成ガスを精製するガス精製設備と、ガス精製設備によって精製された燃料ガスによって駆動されるガスタービンとを備え、補助蒸気配管によって取り出された蒸気は、ガスタービンに供給される燃料ガスを加熱する。
これによって、可及的に高温の燃料ガスをガスタービンに供給できるので、ガスタービンでの燃焼効率を向上させることができる。
【0021】
また、本発明の一態様に係るガス化設備は、上述の排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉とを備え、前記抽気配管によって抽気された排ガスは、前記ガス化炉に供給される前記炭素含有固体燃料を乾燥させる。
【0022】
本態様に係るガス化設備によれば、上述の排熱回収ボイラと、炭素含有固体燃料をガス化するガス化炉とを備え、抽気配管によって抽気された排ガスは、ガス化炉に供給される前記炭素含有固体燃料を乾燥させる。これによって、ガスタービンの負荷に依らず一定温度の排ガスにより炭素含有固体燃料を乾燥できるので、乾燥熱量が不足することを回避できる。
【発明の効果】
【0023】
本発明に係る排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備によれば、ガスタービンの負荷に依らず一定圧力の補助蒸気を取り出すことができ、また、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービンを最適な条件で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1】本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備を示した概略構成図である。
図2】排熱回収ボイラの各熱交換器の配置や配管の取り回しを示した模式図である。
図3】ガスタービンの負荷と中圧蒸発器の出口ガス温度及び飽和温度との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の一実施形態に係る排熱回収ボイラ、蒸気タービン設備及びガス化設備について図を用いて説明する。
【0026】
[石炭ガス化複合発電設備の全体構成]
図1には、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備の概略構成が示されている。
石炭ガス化複合発電設備(IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle)1は、ガス化炉設備3を備えている。ガス化炉設備3は、空気を酸化剤として用いており、石炭等の炭素含有固体燃料から可燃性ガス(生成ガス)を生成する空気燃焼方式を採用している。石炭ガス化複合発電設備1は、ガス化炉設備3で生成した生成ガスを、ガス精製設備5で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン装置7に供給して発電を行っている。すなわち、石炭ガス化複合発電設備1は、空気燃焼方式(空気吹き)の発電設備となっている。
なお、本実施形態では空気吹きとして説明するが、酸素吹きとしても良い。ガス化炉設備3に供給する炭素含有固体燃料としては、例えば石炭が用いられる。
【0027】
石炭ガス化複合発電設備1は、給炭設備9と、ガス化炉設備3と、チャー回収設備11と、ガス精製設備5と、ガスタービン装置7と、蒸気タービン装置18と、発電機19と、排熱回収ボイラ(HRSG:Heat Recovery Steam Generator)20とを備えている。
【0028】
給炭設備9は、原炭として炭素含有固体燃料である石炭が給炭バンカから供給され、石炭を石炭ミル13で粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した微粉炭を製造する。石炭ミル13で製造された微粉炭は、各微粉炭ホッパ14から給炭ライン15を経て、空気分離設備42から供給される搬送用イナートガスとしての窒素ガスによって加圧されて、ガス化炉設備3へ向けて供給される。イナートガスとは、酸素含有率が約5体積%以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約5%以下に制限されるものではない。
【0029】
なお、石炭に水分が多く含まれる場合、石炭を乾燥させるために、排熱回収ボイラ20から抽気された排ガスによって石炭を乾燥できるように構成されてもよい。なお、抽気の詳細については後述する。
【0030】
ガス化炉設備3は、給炭設備9で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収設備11で回収されたチャー(石炭の未反応分と灰分)が戻されて再利用可能に供給されている。
【0031】
ガス化炉設備3には、ガスタービン装置7(圧縮機61)からの圧縮空気供給ライン41が接続されており、ガスタービン装置7で圧縮された圧縮空気の一部が昇圧機68で所定圧力に昇圧されてガス化炉(ガス化部)16に供給可能となっている。空気分離設備42は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第1窒素供給ライン43によって空気分離設備42とガス化炉設備3とが接続されている。そして、この第1窒素供給ライン43には、給炭設備9からの給炭ライン15が接続されている。また、第1窒素供給ライン43から分岐する第2窒素供給ライン45もガス化炉設備3に接続されており、この第2窒素供給ライン45には、チャー回収設備11からのチャー戻しライン46が接続されている。更に、空気分離設備42は、酸素供給ライン47によって、圧縮空気供給ライン41と接続されている。そして、空気分離設備42によって分離された窒素は、第1窒素供給ライン43及び第2窒素供給ライン45を流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離設備42によって分離された酸素は、酸素供給ライン47及び圧縮空気供給ライン41を流通することで、ガス化炉設備3において酸化剤として利用される。
【0032】
ガス化炉設備3は、例えば、2段噴流床形式のガス化炉16を備えている。ガス化炉設備3は、内部に供給された石炭(微粉炭)及びチャーを酸化剤(空気、酸素)により部分燃焼させることでガス化させ生成ガスとする。ガス化炉16内は加圧状態とされ、例えば、3〜4MPa(ゲージ圧)とされている。
バーナ30,31は、上下二段に設けられている。下方のバーナ30に相当する位置には、コンバスタ部32が設けられており、微粉炭の一部を燃焼させることでガス化のための熱を供給する。上方のバーナ31に相当する位置には、リダクタ部33が設けられ、微粉炭をガス化する。
リダクタ部33の下流側には、シンガスクーラ35(生成ガス冷却器)が設けられており、生成ガスを所定温度まで冷却してからチャー回収設備11に供給する。シンガスクーラ35では蒸気が生成され、生成後の蒸気は排熱回収ボイラ(HRSG)20へと導かれる。
【0033】
ガス化炉設備3には、チャー回収設備11に向けて生成ガスを供給する生成ガスライン49が接続されており、チャーを含む生成ガスが排出可能となっている。
【0034】
チャー回収設備11は、集塵設備51と供給ホッパ52とを備えている。この場合、集塵設備51は、1つ又は複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉設備3で生成された生成ガスに含有するチャーを分離することができる。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン53を通してガス精製設備5に送られる。供給ホッパ52は、集塵設備51で生成ガスから分離されたチャーを貯留するものである。集塵設備51と供給ホッパ52との間には、チャービン54が配置されている。チャービン54に対して、複数の供給ホッパ52が接続されている。供給ホッパ52からのチャー戻しライン46が第2窒素供給ライン45に接続されている。
【0035】
ガス精製設備5は、チャー回収設備11によりチャーが分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。
ガス精製設備5は、生成ガスを精製して燃料ガスを製造し、これをガスタービン装置7に供給する。チャーが分離された生成ガス中にはまだ硫黄分(HSなど)が含まれているため、ガス精製設備5では、アミン吸収液などによって硫黄分を除去回収して、有効利用する。
【0036】
具体的には、COS変換器21、スクラバ22、冷却洗浄塔23を経た後に、HS吸収塔24に導かれてHSが吸収される。HS吸収塔24でHSを吸収した吸収液は、吸収液再生塔25で再生されると共に、HS吸収塔24へ返送される。HS吸収塔24で吸収液から分離されたHSガスは、オフガス燃焼炉26にて焼却処理された後に、排煙脱硫装置27へと導かれる。
【0037】
ガスタービン装置7は、圧縮機61、燃焼器62、ガスタービン63を備えており、圧縮機61とガスタービン63とは、回転軸64により連結されている。燃焼器62には、圧縮機61からの圧縮空気供給ライン65が接続されると共に、ガス精製設備5から燃料ガス供給ライン66が接続されている。
【0038】
燃焼器62とガスタービン63との間には、燃焼ガス供給ライン67が接続されている。ガスタービン装置7は、圧縮機61からガス化炉設備3に延びる圧縮空気供給ライン41が設けられており、中途部に昇圧機68が設けられている。従って、燃焼器62では、圧縮機61から供給された圧縮空気の一部とガス精製設備5から供給された燃料ガスの少なくとも一部とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを発生させ、発生させた燃焼ガスをガスタービン63へ向けて供給する。そして、ガスタービン63は、供給された燃焼ガスにより回転軸64を回転駆動させることで発電機19を回転駆動させる。
【0039】
蒸気タービン設備であれば備えている蒸気タービン装置18は、ガスタービン装置7の回転軸64に連結される蒸気タービン69を備えている。蒸気タービン69の下流には、復水器72が接続されている。発電機19は、回転軸64の基端部に連結されている。なお、発電機19は、蒸気タービン69とガスタービン63との間に配置されても良い。排熱回収ボイラ20は、ガスタービン63からの排ガスライン70が接続されており、復水器72から導かれた給水とガスタービン63の排ガスとの間で熱交換を行うことで、蒸気を生成するものである。そして、排熱回収ボイラ20は、蒸気タービン装置18との間に蒸気供給ライン71が設けられている。また、排熱回収ボイラ20で生成する蒸気には、ガス化炉16のシンガスクーラ(SGC)35で生成ガスと熱交換して生成された蒸気を含んでいる。従って、蒸気タービン装置18では、排熱回収ボイラ20から供給された蒸気により蒸気タービン69が回転駆動され、回転軸64を回転させることで発電機19を回転駆動させる。
【0040】
排熱回収ボイラ20の出口には、煙突75が接続されており、燃焼ガスが大気へと放出される。なお、排熱回収ボイラ20の出口に、ガス浄化設備を設けても良い。
【0041】
[石炭ガス化複合発電設備の動作]
次に、本実施形態に係る石炭ガス化複合発電設備1の動作について説明する。
石炭ガス化複合発電設備1において、給炭設備9の石炭ミル13に原炭(石炭)が供給されると、石炭は、石炭ミル13において細かい粒子状に粉砕されることで微粉炭となる。このとき、石炭に水分が多く含まれる場合、排熱回収ボイラ20から抽気された排ガスによって石炭が乾燥される。
【0042】
給炭設備9で製造された微粉炭は、空気分離設備42から供給される窒素により第1窒素供給ライン43を流通してガス化炉設備3に供給される。また、後述するチャー回収設備11で回収されたチャーが、空気分離設備42から供給される窒素により第2窒素供給ライン45を流通してガス化炉設備3に供給される。更に、後述するガスタービン装置7から抽気された圧縮空気が昇圧機68で昇圧された後、空気分離設備42から供給される酸素と共に圧縮空気供給ライン41を通してガス化炉設備3に供給される。
ガス化炉設備3では、供給された微粉炭及びチャーが圧縮空気(酸素)により燃焼し、微粉炭及びチャーがガス化することで、生成ガスを生成する。そして、この生成ガスは、ガス化炉設備3から生成ガスライン49を通って排出され、チャー回収設備11に送られる。
【0043】
このチャー回収設備11にて、生成ガスは、まず、集塵設備51に供給されることで、生成ガスに含有する微粒のチャーが分離される。そして、チャーが分離された生成ガスは、ガス排出ライン53を通してガス精製設備5に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒のチャーは、供給ホッパ52に堆積され、チャー戻しライン46を通ってガス化炉設備3に戻されてリサイクルされる。
【0044】
チャー回収設備11によりチャーが分離された生成ガスは、ガス精製設備5にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され、燃料ガスが製造される。精製された燃料ガスは、排熱回収ボイラ20から取り出された補助蒸気を加熱源として、加熱ヒータ105によって加熱される。このとき、燃料ガスは、所定の温度域(例えば約200℃)まで加熱される。なお。加熱前の燃料ガスは約120℃〜130℃である。
【0045】
加熱ヒータ105によって加熱された燃料ガスを、燃料ガス供給ライン66の途中位置に設けられた燃料ガス加熱器80によって更に加熱してもよい。この場合、燃料ガスは、約300℃〜600℃まで加熱される。燃料ガス加熱器80は、排熱回収ボイラ20から取り出された補助蒸気を加熱源とする。
【0046】
圧縮機61は、圧縮空気を生成して燃焼器62に供給する。この燃焼器62は、圧縮機61から供給される圧縮空気と、燃料ガス加熱器80によって加熱された後の燃料ガスとを混合し、燃焼することで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスによりガスタービン63を回転駆動することで、回転軸64を介して圧縮機61及び発電機19を回転駆動する。このようにして、ガスタービン装置7は発電を行うことができる。
【0047】
排熱回収ボイラ20は、ガスタービン63から排出された排ガスと、復水器72から供給された給水とで熱交換を行うことにより蒸気を生成し、この生成した蒸気を蒸気タービン装置18に供給する。蒸気タービン装置18では、排熱回収ボイラ20から供給された蒸気により回転駆動されることで、回転軸64を介して発電機19を回転駆動し、発電を行うことができる。
なお、ガスタービン装置7と蒸気タービン装置18は同一軸として1つの発電機19を回転駆動しなくてもよく、別の軸として複数の発電機を回転駆動しても良い。
【0048】
[排熱回収ボイラの構成]
次に、本実施形態に係る排熱回収ボイラ20の構成について説明する。
図2には、複数の熱交換器が流路82に設けられた排熱回収ボイラ20が示されている。ガスタービン63から導かれた排ガス(GT排ガス)は、同図において下方から上方へと流れる。排熱回収ボイラ20は、下方(GT排ガスの上流側)から順に、高圧(第2圧力)、中圧(所定圧力)、低圧(第1圧力)の各熱交換器を有する3圧構成とされている。
なお、各熱交換器の配置は、設備の仕様に応じて適宜変更され、熱交換器の順序が入れ替わったり複数の熱交換器が並列して設置されたりしてもよい。
【0049】
流路82においてGT排ガスの上流側に位置する部分には、GT排ガスの上流側から順に、高圧過熱器(第2過熱器)93a、高圧蒸発器93b、高圧節炭器93cが設けられている。また、GT排ガスの流れ方向において、高圧過熱器93aと高圧蒸発器93bとの間には、再熱器94が設けられている。更に、高圧蒸発器93bと高圧節炭器93cとの間には、脱硝装置90が設けられている。
高圧過熱器93aの蒸気出口には蒸気供給ライン71が接続されており、蒸気タービン69に蒸気を供給できるように構成されている。
【0050】
流路82においてGT排ガスの中流に位置する部分には、GT排ガスの上流側から順に、中圧過熱器(第1過熱器)92a、中圧蒸発器(第1蒸発器)92bが設けられている。中圧過熱器92aと再熱器94との間には蒸気配管PS1が設けられており、中圧過熱器92aの蒸気出口と再熱器94の蒸気入口とを接続している。蒸気配管PS1には、蒸気タービン69から排出された蒸気が導かれる配管が接続されていてもよい。蒸気の流れ方向において、この接続部よりも上流側の蒸気配管PS1には、圧力調整弁100が設けられている。
また、圧力調整弁100よりも上流側の蒸気配管PS1からは、補助蒸気配管PS2が分岐している。
更に、補助蒸気配管PS2の分岐部よりも上流側の蒸気配管PS1には、蒸気の圧力が測定可能な圧力計102が設けられている。なお、圧力計102の設置箇所は、図示された箇所に限定されるものではなく、例えば中圧蒸発器92b(ドラム)に設けられていてもよい。
【0051】
流路82においてGT排ガスの下流側に位置する部分には、GT排ガスの上流側から順に、低圧蒸発器(第2蒸発器)91b、低圧節炭器91cが設けられている。
【0052】
中圧蒸発器92bと低圧蒸発器91bとの間には、高温抽気配管PG1が設けられており、中圧蒸発器92bと低圧蒸発器91bとの間の流路82を流通するGT排ガスを抽気することができるように構成されている。なお、高温抽気配管PG1による抽気位置は、中圧蒸発器92bに近接した位置が好ましい。
【0053】
低圧節炭器91cの下流側には、低温抽気配管PG2が設けられており、低圧節炭器91cの下流側の流路82を流通する排ガスを抽気することができるように構成されている。
【0054】
高温抽気配管PG1と低温抽気配管PG2とは合流され、1系統の配管として石炭ミル13に導かれるように構成される。
【0055】
[排熱回収ボイラ、蒸気配管、補助蒸気配管の動作]
次に、本実施形態に係る排熱回収ボイラ20の動作について説明する。
ガスタービン63から導かれた高温のGT排ガスは、流路82を下方から上方へと流れる。各熱交換器(過熱器、蒸発器、節炭器、再熱器等)は、GT排ガスと水(蒸気含む)との間で熱交換を行うことで、給水の加熱、所定圧力の蒸気の生成、蒸気の過熱等を行う。また、脱硝装置90によって、流路82を流通するGT排ガスに含まれる有害物質を無害化する。
【0056】
低圧節炭器91cは、復水器72から供給された給水を加熱する。低圧蒸発器91bは、低圧節炭器91cにて加熱された水を用いて低圧(第1圧力)の蒸気を生成する。
【0057】
中圧蒸発器92bは、中圧節炭器(図示せず)にて加熱された水を用いて中圧の蒸気を生成する。中圧蒸発器92bにて生成された蒸気は、中圧過熱器92aによって過熱される。
中圧過熱器92aによる過熱度としては、例えば次のようものが挙げられる。すなわち、圧力調整弁100の圧損によって、或いは補助蒸気を使用先まで供給する間の減温によって、補助蒸気が湿り蒸気とならない程度の過熱度(例えば、10℃以上15℃以下)とされる。
【0058】
高圧蒸発器93bは、高圧節炭器93cにて加熱された水を用いて高圧(第2圧力)の蒸気が生成する。更に、高圧蒸発器93bにて生成された蒸気は、高圧過熱器93aによって過熱された後、蒸気供給ライン71を介して蒸気タービン69に供給される。なお、蒸気タービン69が2圧式又は3圧式の場合、高圧過熱器93aによって過熱された蒸気は高圧蒸気タービンに供給されることとなる。
【0059】
次に、蒸気配管PS1及び補助蒸気配管PS2の動作について説明する。
中圧過熱器92aによって過熱された蒸気の一部は、蒸気配管PS1及び補助蒸気配管PS2を介して高温・中圧の補助蒸気として取り出される。補助蒸気の供給先は多岐にわたるが、一例としては、燃料ガス加熱器80に供給されて燃料ガスの加熱に利用される。これによって、ガス化設備であれば備えているガス精製設備5で冷却された燃料ガスを、ガスタービン63での燃焼温度に近付けてガスタービン63に供給することができるので、ガスタービン63の運転を高効率化することができる。
なお、ガスタービン63は、例えば、ガス精製設備5が備えらえているガス化設備に設けられている。
【0060】
このとき、補助蒸気配管PS2によって供給される補助蒸気の圧力は、圧力調整弁100を用いた、いわゆる前圧制御によって制御される。これによって、例えば、ガスタービン63の負荷によって変動するGT排ガスの温度や圧力に依らず、補助蒸気の圧力を一定に保持することができる。
また、これと合わせて、圧力調整弁100を用いた前圧制御によって、ガスタービン63の負荷に依らず、中圧過熱器92aの蒸気圧、中圧蒸発器92bの蒸気圧、蒸気配管PS1内の蒸気圧等が一定に保持される。
更に、中圧蒸発器92bの圧力を前圧制御によって一定に保持している場合には、中圧蒸発器92b内の飽和温度が一定となる。このため、中圧蒸発器92bの下流側の温度(中圧蒸発器92bの出口温度)も一定に保持される。これによって、ガスタービン63の負荷に依らず、中圧蒸発器92bによって熱交換されるGT排ガスの温度が一定に保持されることとなる。
【0061】
中圧蒸発器92bの出口付近から高温抽気配管PG1によって抽気されたGT排ガスは、低温抽気配管PG2によって抽気されたGT排ガスと混合されて、例えば180℃以上270℃以下に温度調整された後、石炭を乾燥させるためのガスとして石炭ミル13に供給されている。
【0062】
ここで、圧力調整弁100の開度は、圧力計102から取得される圧力に係る情報に基づいて、制御部104によって決定される。つまり、圧力計102及び制御部104が圧力調整弁100よりも上流側の蒸気圧を監視すると共に、制御部104が圧力調整弁100の開度を適切に決定するように構成されている。
【0063】
制御部104は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等である。
【0064】
本実施形態においては以下の効果を奏する。
圧力調整弁100によって、補助蒸気配管PS2に対する前圧制御が可能となり、ガスタービン63の負荷に依らず一定圧力の補助蒸気を中圧過熱器92aから蒸気配管PS1及び補助蒸気配管PS2を介して取り出すことができる。
また、仮に高圧過熱器93aから供給される蒸気やその蒸気によって駆動される蒸気タービン69から排出される蒸気を補助蒸気として取り出した場合、補助蒸気としては過熱度が高いのでスプレイ水によって補助蒸気を減温しなければならない。この減温は設備全体としての熱の損失に繋がり好ましくない。しかし、中圧過熱器92aから取り出された補助蒸気は、高圧過熱器93a等から供給される蒸気よりも低温とされる。このため、スプレイ水を用いた補助蒸気の減温に起因する損失を回避することができる。
【0065】
また、圧力調整弁100によって、中圧蒸発器92bの圧力を一定に保持することができる。これによって、図3に示すように、中圧蒸発器92bの飽和温度を一定に保つことができる。このため、低圧蒸発器91bと中圧蒸発器92bとの間(特に、中圧蒸発器92bに近接している位置)の流路82にあるGT排ガスの温度を一定に保持することができる(石炭の乾燥に要する温度(同図においてT1)以上の温度)。そして、低圧蒸発器91bと中圧蒸発器92bとの間からGT排ガスを抽気することによって、ガスタービン63の負荷に依らず一定温度のGT排ガスを抽気することができる。このように抽気されたGT排ガスを石炭の乾燥に用いることで、一定温度のGT排ガスによって安定的に石炭を乾燥させることができる。なお、中圧蒸発器92bの圧力を制御しない場合、例えば、ガスタービン63の負荷の低下に伴って抽気されるGT排ガスの温度が低下する可能性がある。
また、中圧過熱器92aよりも上流側からGT排ガスを抽気した場合と比べて、中圧過熱器92aや中圧蒸発器92bにて熱交換される蒸気と排ガスとの間の熱量を増加させることができる。
【0066】
また、中圧過熱器92aから取り出した蒸気を補助蒸気として取り出すと共に、高圧過熱器93aからの蒸気を蒸気タービン69の駆動源とすることで、要求される補助蒸気の圧力に依らず蒸気タービン69を最適な条件で運転することができる。
【0067】
なお、上述の実施形態においては、3圧の排熱回収ボイラ20を例にその構成を説明したが、例えば、高圧及び中圧の2圧構成であってもよい。
【符号の説明】
【0068】
1 石炭ガス化複合発電設備(ガス化設備)
5 ガス精製設備
16 ガス化炉
18 蒸気タービン装置
20 排熱回収ボイラ
63 ガスタービン
69 蒸気タービン
82 流路
91b 低圧蒸発器(第2蒸発器)
92a 中圧過熱器(第1過熱器)
92b 中圧蒸発器(第1蒸発器)
93a 高圧過熱器(第2過熱器)
100 圧力調整弁
102 圧力計
104 制御部
PG1 高温抽気配管(抽気配管)
PS1 蒸気配管
PS2 補助蒸気配管
図1
図2
図3