(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダストと硫黄分とを含むガスを燃料とし、集塵機でダストを除去した前記燃料をガスタービンの燃焼器に供給して運転されるガスタービンプラントであって、
前記集塵機から前記燃焼器まで燃料を導く流路が防錆配管であり、
前記燃焼器がバーナ部をバイパスして燃焼用空気を尾筒側へ流すバイパス流路を備え、
該バイパス流路に設けたバイパス弁の開度制御は、前記ガスタービンの無負荷から中間負荷に至る低負荷領域で全開から全閉まで漸次的に弁開度を絞り、中間負荷から最大負荷までの高負荷領域で全閉状態を維持し、前記高負荷領域において、前記燃焼器の燃焼領域を通過する燃焼空気の流速を増加させてダストの滞留時間を短くし、前記燃焼領域の燃焼温度を低下させて硫化鉄の前記ガスタービンの高温部品へのデポジット付着を防止または抑制することを特徴とするガスタービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば製鉄プロセスから発生する製鉄所副生ガス等のように、燃料中にダストと硫黄分とを含むガスを燃料として運転されるガスタービンプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製鉄プロセスにおいて大量に発生する製鉄所副生ガス（Blast Furnace Gas：ＢＦＧ）を燃料として運転されるガスタービンプラント、すなわち、ＢＦＧを燃料として運転されるＢＦＧ焚きガスタービンプラントが知られている。
従来のＢＦＧ焚きガスタービンプラントは、たとえば図４に示すように、圧縮機１，燃焼器２及びタービン３を主な構成要素とするガスタービン１０が、製鉄プロセスの高炉４０等から発生するＢＦＧを燃料として運転される。高炉４０で発生したＢＦＧは、湿式電気集塵機（ＥＰ）５０でダストを除去した後、ガス圧縮機６０により圧縮されて燃焼器２に供給される。このような電気集塵機５０及びガス圧縮機６０を備えた構成は、たとえば下記の特許文献１に開示されている。
【０００３】
すなわち、ＢＦＧを燃料として運転されるＢＦＧ焚きガスタービンプラントでは、高炉４０から供給されるＢＦＧ中のダスト（Ｆｅ分）を除去するため、ＢＦＧを圧縮して燃焼器２に供給するガス圧縮機６０の上流側に湿式電気集塵機５０が設置されている。
また、燃焼器２の内部は、たとえば図５に示すように、圧縮機１から供給される燃焼用空気（図中の矢印ＡＲ）の流路を選択切替して、燃焼用空気の一部がバーナ部２１をバイパスして尾筒２２側へ流れるようになっている。
【０００４】
燃焼用空気の流路切替を行うため、燃焼器２の内部には、バイパス開閉弁２３を備えたバイパス流路２４が形成されている。このバイパス開閉弁２３は、燃焼器２の内筒内部に形成された燃焼室２５内の空気比を適切に調整し、安定した燃焼状態を実現するものである。
なお、図５（ａ）がバイパス開閉弁２３を開とした状態、図５（ｂ）がバイパス開閉弁２３を閉とした状態である。
【０００５】
上述したＢＦＧ焚きガスタービンにおいては、たとえば下記の特許文献２に開示されているように、タービン静翼に付着したダストをドライアイス粒の噴射により除去する技術や、たとえば下記の特許文献３に開示されているように、導電性ダストの含有量を直接的かつ高精度に検出してタービン翼の損耗を未然に防御する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９０６３３号公報
【特許文献２】特開平１０−２２０２５１号公報
【特許文献３】特開平７−２６５６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のＢＦＧ焚きガスタービンプラントでは、湿式電気集塵機５０を通すことにより、ＢＦＧに含まれているダスト（Ｆｅ分）を除去することは可能である。しかし、湿式電気集塵機５０は、気体状の硫化水素（Ｈ２Ｓ）まで除去することができないため、硫化水素を含んだＢＦＧが燃焼器２に供給されることとなる。
また、湿式電気集塵機５０の後流配管は鋼材であるため、ここから発生する錆（Ｆｅ分）については、除去されることなくダストとしてＢＦＧの流れとともにガスタービン１０の燃焼器２に供給される。また、湿式電機集塵機５０で除去しきれなかったダストがガスタービン１０に供給されることもある。
【０００８】
このため、ガスタービン１０に供給されたダストに含まれるＦｅ分とＢＦＧに含まれる硫化水素の硫黄分とが反応し、融点の低い硫化鉄（ＦｅＳ）が生成される。この硫化鉄は、燃焼器２の内部で溶融することにより、ガスタービン１０内の高温部品表面にデポジットとして付着する。この場合のデポジットは、たとえばガスタービン１０の運転中において、溶融した硫化鉄が、時間の経過とともに、タービン３を構成する高温部品（動翼や静翼等）の表面上に付着して固化した付着物（堆積物）である。
一方、ガスタービン１０では、燃焼器２のバイパス開閉弁２３を開くと、燃焼室２５の燃焼領域Ｆでは燃焼温度が上昇する。燃焼器２に供給された鉄分のダストは、燃焼領域Ｆの燃焼温度が高いほど大きな粒径まで溶融する。このため、燃焼領域Ｆの燃焼温度が高いほど硫化鉄（ＦｅＳ）の生成が促進され、燃焼器２のバイパス開閉弁２３を開けた運転状態では、デポジット付着量が増加する傾向にある。
【０００９】
上述したデポジットは、デポジット除去の作業を生じさせ、あるいは、デポジット付着により高温部品の寿命を低下させるので、デポジット除去や高温部品交換等のメンテナンス作業に要するプラント停止時間が増大するという問題を有している。このようなプラント停止時間の増大は、ＢＦＧ焚きガスタービンプラントのアベイラビリティを低下させる原因となるため、プラントの経済性にとって好ましいことではなく、従って、デポジットの低減対策が望まれている。
なお、この場合のアベイラビリティは、たとえばＢＦＧ焚きガスタービンプラントで発電する場合、下記の式により表すことができる。
アベイラビリティ＝（発電要求時間−停止時間）／発電要求時間
【００１０】
このように、従来のＢＦＧ焚きガスタービンプラントは、デポジット付着によりプラント稼働時間の短縮を余儀なくされているので、デポジット付着量を低減してアベイラビリティ及び経済性を向上させことが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、たとえばＢＦＧ焚きガスタービンプラントのように、燃料中にダストと硫黄分とを含むガスを燃料として運転されるガスタービンのデポジット付着量を低減してアベイラビリティ及び経済性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガスタービンプラントは、ダストと硫黄分とを含むガスを燃料とし、集塵機でダストを除去した前記燃料をガスタービンの燃焼器に供給して運転されるガスタービンプラントであって、前記集塵機から前記燃焼器まで燃料を導く流路が防錆配管であり、前記燃焼器がバーナ部をバイパスして燃焼用空気を尾筒側へ流すバイパス流路を備え、該バイパス流路に設けたバイパス弁の開度制御は、前記ガスタービンの無負荷から中間負荷に至る低負荷領域で全開から全閉まで漸次的に弁開度を絞り、中間負荷から最大負荷までの高負荷領域で全閉状態を維持し、前記高負荷領域において、前記燃焼器の燃焼領域を通過する燃焼空気の流速を増加させてダストの滞留時間を短くし、前記燃焼領域の燃焼温度を低下させて硫化鉄の前記ガスタービンの高温部品へのデポジット付着を防止または抑制することを特徴とするものである。
【００１２】
このようなガスタービンプラントによれば、集塵機から燃焼器まで燃料を導く流路を防錆配管にしたので、集塵機下流の配管内から発生する錆の鉄（Ｆｅ）分が減少する。このため、燃料とともに燃焼器に供給される鉄分も減少するので、硫化水素と反応して生成される硫化鉄も減少し、ガスタービンの高温部品に付着するデポジット量の低減が可能になる。
この場合、好適な防錆配管としては、ステンレス（ＳＵＳ）製の配管や配管内面に防錆ライニングを施した配管がある。
【００１３】
さらに、本発明に係るガスタービンプラントは、燃焼器がバーナ部をバイパスして燃焼用空気を尾筒側へ流すバイパス流路を備え、該バイパス流路に設けたバイパス弁の開度制御は、ガスタービンの無負荷から中間負荷に至る低負荷領域で全開から全閉まで漸次的に弁開度を絞り、中間負荷から最大負荷までの高負荷領域で全閉状態を維持し、高負荷領域において、燃焼器の燃焼領域を通過する燃焼空気の流速を増加させてダストの滞留時間を短くし、燃焼領域の燃焼温度を低下させて硫化鉄のガスタービンの高温部品へのデポジット付着を防止または抑制する。このため、燃焼器に供給されたダスト（鉄分）の溶融を抑制してデポジット付着量の低減が可能になる。すなわち、防錆配管の採用でダスト（錆の鉄分）発生量が減少することに加えて、燃焼器に到達したダストの溶融を抑制したので、デポジット付着量はより一層減少することになる。
【発明の効果】
【００１４】
上述した本発明によれば、たとえばＢＦＧ焚きガスタービンプラント等のように、燃料中にダストと硫黄分とを含むガスを燃料として運転されるガスタービンプラントで問題となっていたデポジット付着量を低減し、アベイラビリティ及び経済性を向上させるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの一実施形態として、ＢＦＧ焚きガスタービンプラントの概略構成例を示す系統図である。
【図２】燃焼器内温度（横軸）及び滞留時間（縦軸）としたグラフにおいて、大粒径及び小粒径のダスト（硫化鉄）溶融ラインと、燃焼器に設けたバイパス開閉弁の開度との関係を示す説明図である。
【図３】ガスタービンの負荷（横軸）と燃焼器に設けたバイパス開閉弁の開度（縦軸）との関係について、従来及び本発明を比較して示す説明図である。
【図４】ガスタービンプラントの従来例としてＢＦＧ焚きガスタービンプラントの概略構成例を示す系統図である。
【図５】ガスタービンの燃焼器に形成したバイパス流路の構成を示す図で、（ａ）はバイパス開閉弁を開とした状態、（ｂ）はバイパス開閉弁を閉とした状態である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るガスタービンプラントの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態のガスタービンプラントは、製鉄プロセスにおいて大量に発生する製鉄所副生ガス（ＢＦＧ）を燃料として運転されるＢＦＧ焚きガスタービンプラントであり、ガスタービン１０の出力は、発電機の駆動等に使用される。
【００１７】
図示のガスタービンプラントは、集塵機５０でダストを除去した燃料のＢＦＧをガスタービン１０の燃焼器２に供給して運転される。
ガスタービン１０は、圧縮機１，燃焼器２及びタービン３を主な構成要素とする内燃機関の原動機であり、燃料の燃焼等によって生成された高温の燃焼ガスでタービン３を回して回転運動エネルギー（軸出力）を得る。
【００１８】
圧縮機１は、外気を吸入して圧縮した燃焼用空気を燃焼器２に供給する。燃焼器２は、燃焼用空気を用いて燃料のＢＦＧを燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成してタービン３へ供給する。
燃焼ガスの供給を受けたタービン３は、燃焼ガスが保有する熱エネルギーにより回転するので、タービン３の主軸に連結した圧縮機１や発電機（不図示）を駆動する出力が得られる。なお、タービン３から排出された燃焼ガスは、たとえば排熱回収ボイラに導入して蒸気生成に使用するなど、二次利用も可能である。
【００１９】
さて、ガスタービン１０の燃料となるＢＦＧは、製鉄プロセスの過程で高炉４０から発生し、湿式電気集塵機（ＥＰ）５０でＢＦＧ中のダスト（粒子）を除去した後、ガス圧縮機６０により圧縮されて燃焼器２に供給される。
本実施形態では、湿式集塵機５０から燃焼器２まで燃料のＢＦＧを導く流路の配管に、防錆配管７０を使用している。この防錆配管７０は、たとえばステンレス素材の配管（ステンレス配管）や、配管内面に防錆ライニングを施した配管（ライニング配管）であり、配管内の錆発生を防止または抑制したものである。すなわち、防錆配管７０にステンレス配管やライニング配管を使用すると、ＢＦＧ焚きガスタービンプラントの運転を継続しても、湿式集塵機５０の下流側となる防錆配管７０から生じる錆（鉄分）のダスト量を最小限に抑えることができる。
【００２０】
このように、湿式電気集塵機５０から燃焼器２までＢＦＧを導く流路を防錆配管７０にすれば、集塵機下流の燃料流路となる配管から発生する錆のダスト量が減少するので、ＢＦＧとともに燃焼器２に供給される鉄分のダスト量も減少する。すなわち、湿式電気集塵機５０では除去できない鉄分の発生量が減少するので、高温の燃焼器２において、同じく湿式電気集塵機５０では除去できない硫化水素との反応により生成される硫化鉄量も減少する。
【００２１】
上述した硫化鉄は、融点が低いため、高温の燃焼ガスとともに溶融した液状で下流側へ流れていき、ガスタービン１０の高温部品表面に付着してデポジットとなる。従って、燃焼器２で生成される硫化鉄量の減少は、ガスタービン１０の高温部品表面に、たとえば、タービン３の動翼や静翼の表面に付着するデポジット量の低減に有効である。
【００２２】
一方、燃焼器２の内部には、燃焼用空気の流路切替を行うため、図５に示すようなバイパス開閉弁２３を備えたバイパス流路２４が形成されている。
バイパス開閉弁２３は、燃焼器２の内筒内部に形成された燃焼室２５内の空気比を適切に調整し、安定した燃焼状態を実現する空気流量調整弁であり、バイパス開閉弁２３の開度を増すことにより、バーナ部２１をバイパスして流れる燃焼空気量が増し、燃焼室２５の燃焼領域Ｆでは燃焼温度が上昇する。
【００２３】
図２は、横軸を燃焼器２５内における燃焼温度とし、縦軸を硫化鉄となったダストが燃焼器２５内を通過する時間（滞留時間）としたグラフにおいて、大粒径ダスト溶融ライン及び小粒径ダスト溶融ラインを示している。なお、図において、大粒径ダスト溶融ライン及び小粒径ダスト溶融ラインより上側の領域ではダストが溶融して液体になるため、硫化水素と反応して硫化鉄を生成しやすい状況にあり、下側の領域ではダストが粒子状の固体であるため、硫化水素と反応しない状況にある。
図によれば、小粒径のダストは、大粒径のダストと比較して横軸の燃焼器内温度が低くても溶融しやすく、また、小径のダストは、大粒径のダストと比較して縦軸の滞留時間が短くても溶融しやすいことが分かる。換言すれば、粒径が同じダストの場合、燃焼器温度が高いほど溶融しやすく、滞留時間が長いほど溶融しやすいことになる。
【００２４】
そこで、バイパス開閉弁２３の開度を絞り、バーナ部２１をバイパスして尾筒２２側へ流す燃焼空気量を減少させる開度制御を実施する。すなわち、本実施形態の開度制御は、ガスタービン１０の運転条件を同一にして従来と比較した場合、たとえば図３に示すように、低負荷から高負荷までの全運転領域において、バイパス開閉弁２３の弁開度を従来制御の弁開度よりも絞って小さく設定する。このような本実施形態の開度制御により、圧縮機１から供給される燃焼空気量は、バーナ部２１に分配される燃焼空気量が増すことで、バイパス流路２４に分配される燃焼空気量が減少する。
【００２５】
このようなバイパス開閉弁２３の開度制御において、好適な弁開度制御は、図３に実線で示すように、最大負荷の値を略二等分した場合の低負荷領域側では弁開度を漸次的に絞り、高負荷側では弁開度を全閉とする。換言すれば、バイパス開閉弁２３の開度制御は、無負荷の全開状態から中間負荷（略５０％負荷）の全閉状態に至る低負荷領域では、負荷の上昇に応じて漸次的に弁開度を全閉まで絞り、中間負荷から最大負荷までの高負荷領域では、全閉状態を維持することが望ましい。
【００２６】
この結果、全ての負荷領域において、燃焼領域Ｆに分配される燃焼空気量が増加する。このため、燃焼領域Ｆを通過する燃焼空気の流速が増してダストの滞留時間は短くなり、しかも、燃焼領域Ｆの燃焼温度も低下する。従って、鉄分のダストは燃焼器２内で溶融しにくい状況となり、たとえば図２に白抜矢印で示すように、燃焼領域Ｆの状況は、バイパス開閉弁２３の開度を閉方向に変更して絞ることで、大粒径ダスト溶融ラインより下方の領域に入り、ダストは固体のままとなって硫化水素と反応しない。すなわち、燃焼領域Ｆの状況は、バイパス開閉弁２３の開度を閉方向に変更して絞ることによって、大粒径ダストが溶融するＰ１から溶融しないＰ２に変化する。
【００２７】
このようなバイパス弁２３の開度制御を行うことにより、燃料のＢＦＧとともに燃焼器２に供給された鉄分のダストは溶融しにくくなるので、硫化水素と反応して生成される硫化鉄の発生量を低減することができる。
こうして硫化鉄の発生量が減少すると、高温の環境で溶融した硫化鉄の液体が燃焼ガスとともに下流側へ流れていき、たとえばタービン３の動翼や静翼等の高温部品表面に付着し、これが固化してデポジットの付着物として残ることを抑制または防止抑制することができる。すなわち、防錆配管７０の採用でダスト発生量が減少したことに加えて、燃焼器２に到達した少量のダストについても、その溶融が抑制されるので、デポジット付着量はより一層減少することになる。
【００２８】
このようにして、ＢＦＧ焚きガスタービンプラントで問題となっていたデポジット付着量が低減されると、デポジット除去の作業量低減や、デポジット付着による高温部品の寿命低下を防止できるので、デポジット除去や高温部品交換等のメンテナンス作業に要するプラント停止時間の低減により、アベイラビリティ及び経済性が向上するので、ＢＦＧ焚きガスタービンプラントの製品競争力向上に顕著な効果を奏する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば石炭や残渣油等をガス化したガスのように、ダスト及び硫黄分を含むＢＦＧ以外の燃料ガスを燃料として使用するガスタービンプラントにも適用可能であるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１    圧縮機
２    燃焼器
３    タービン
１０    ガスタービン
２１    バーナ部
２２    尾筒
２３    バイパス開閉弁
２４    バイパス流路
２５    燃焼室
４０    高炉（製鉄プラント）
５０    湿式電気集塵機
６０    ガス圧縮機
７０    防錆配管
【図１】
0005627492.tif 000002
【図２】
0005627492.tif 000003
【図３】
0005627492.tif 000004
【図４】
0005627492.tif 000005
【図５】
0005627492.tif 000006