(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気供給系からの空気と燃料供給系からの燃料を燃焼させ、蒸気を発生し燃焼排気ガスを排出するボイラを有し、同ボイラからの前記蒸気で蒸気タービンを駆動すると共に、前記ボイラからの前記燃焼排気ガスでガスタービンを駆動する複合発電システムにおいて、前記ボイラで発生した蒸気の流路の途中から蒸気を一部抽気し、前記空気供給系に混入することを特徴とする複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合発電システムであって、加圧流動床ボイラから発生する蒸気で蒸気タービンを駆動し、ボイラからの排ガスを利用してガスタービンを駆動して発電を行う両方式を組合せた複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加圧流動床複合発電システムは、加圧容器内に収納した流動床ボイラから発生する蒸気で蒸気タービンを駆動して発電を行い、加圧流動床ボイラからの排ガスをガスタービンに導き、ガスタービンを駆動して発電を行う両方式を組合せた発電方式である。加圧流動床ボイラにおける燃焼は、圧縮機から燃焼用空気をボイラ内に導いて加圧状態とし、石灰石を流動媒体とする流動層内に粉砕した石炭を投入し、流動状態で燃焼させるものである。この流動床内部には蒸気配管を配置し、流動床内の燃焼熱により蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動して発電を行う。又、このような燃焼では、石灰石を用いるので炉内での脱硫も同時に行うことができる。
【０００３】
上記の流動床ボイラの原理を更に説明すると、容器内の底部に空気分散板を設け、固体粒子を空気分散板上部に充填する。空気分散板の底部から空気を均一に吹込み、空気量を増してゆくと、空気分散板からのある高さの層内で固体粒子が激しく不規則に動きまわる状態となる。このように流体によって浮遊流動化された固体粒子層を流動床と称しており、この流動床に適当な大きさの固体燃料あるいは液体燃料を投入し、流動状態で燃焼させることが流動床燃焼である。
【０００４】
図６は上記に説明した加圧流動床複合発電システムの代表的な系統図である。図において、１は加圧流動床ボイラ全体を示し、その構成は１０の加圧容器と、その内部のボイラ１１からなっている。１２は石炭・石灰石供給装置であり、原料の石炭と流動媒体となる石灰石をボイラ１１に供給する。１３はサイクロンであり、ボイラ１１からの排ガスから不燃物等の粒子を取除くものである。１４は集じん装置であり、セラミックフィルタからなり、セラミックフィルタにより灰等をろ過して取除くものである。１５はガスタービンであり、圧縮機１６と直結され、集じん装置１４からの高温の排ガスにより駆動される。１７は脱硝装置であり、１８は高圧排熱回収給水加熱器、１９は低圧排熱回収給水加熱器であり、これら１８，１９の加熱器により排ガスからの排熱を回収し、この排熱でボイラへの給水を予熱する。２０は煙突であり、排ガスを大気に放出する。
【０００５】
２１は蒸気タービンであり、２２は復水器で蒸気タービン２１からの蒸気をポンプ５１で冷却水を送り、冷却して復水する。２３は低圧給水加熱器であり、復水を加熱し、給水の温度を調整する。２４は脱気器で、給水中からの気泡を除去するものである。２５はドラムであり、ボイラ１１の各配管、即ち、主蒸気配管系３０、再熱蒸気配管系３１、ボイラ循環系配管系３２への給水を行うものである。
【０００６】
上記構成の加圧流動床複合発電システムにおいて、石炭・石灰石供給装置１２から原料の石炭と流動媒体となる石灰石が供給系４１よりボイラ１１に送られ、一方圧縮機１６からの空気が空気系配管４２よりボイラ１１に吹込まれ、石灰石で流動床を形成し、石炭を燃焼させて流動床燃焼を行う。
【０００７】
一方、ドラム２５からはあらかじめ予熱された給水が主蒸気配管系３０に供給され、主蒸気配管系３０はボイラ１１で加熱されて蒸気を発生し、蒸気タービン２１の高圧タービンを駆動し、その排出蒸気は再びボイラ１１に戻り、再加熱されて再熱蒸気配管系３１より再度蒸気タービン２１に流入して低圧タービンを駆動して復水器２２へ流出する。又、ドラム２５の給水はボイラ循環配管系３２によりボイラ１１との間を循環し、加熱されるようになっている。
【０００８】
一方、ボイラ１１からの燃焼排気ガスはサイクロン１３により大きな粒子が取除かれ、集じん装置１４で灰等が除去されてガスタービン１５に供給されてこれを駆動し、発電がなされる。ガスタービン１５を駆動した排ガスは、脱硝装置１７で脱硝され、高圧、低圧排熱回収給水加熱器１８，１９でそれぞれボイラ１１への給水をその余熱で加熱した後、煙突２０から大気へ放出される。
【０００９】
蒸気タービン２１を駆動した排出蒸気はポンプ５１で冷却水が送られる復水器２２で凝縮して液化し、ポンプ５２で低圧給水加熱器２３に送られ、ここで加熱されて温度調節がなされ、低圧排熱回収給水加熱器１９で排ガスにより予熱されて脱気器２４へ送られ、気泡が除去される。脱気器２４からの給水はポンプ５３で高圧排熱回収給水加熱器１８に送られ、ここで更に予熱され、配管３３よりドラム２５へ送られる。
【００１０】
上記に説明の加圧流動床複合発電システムにおいては、蒸気タービン２１を駆動すると共に、ボイラ１１からの排ガスによりガスタービン１５によっても発電を行うコンバインドサイクル方式であり、高い発電効率が得られる。又、ボイラ１１は加圧された加圧容器１０に納められているためコンパクト化が図れ、更に、流動媒体として石灰石を用いるのでボイラ１１内で脱硫が行なわれ、排煙脱硫装置が不要となり、プラント設置面積が従来と比べて少くてすむ。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述の加圧流動床複合発電システムにおいては、流動床ボイラで発生した蒸気でタービンを駆動すると共に、ボイラの排ガスでガスタービンを駆動するコンバインドサイクル方式であり、高い発電効率と装置のコンパクト化が図れるものである。このようなシステムにおいて、ガスタービンの出力は、使用燃料（石炭）の性状、加圧流動層ボイラの燃焼方法（燃焼温度、層高）等にも影響を受けるが、特にガスタービン圧縮機吸込空気温度と加圧流動層ボイラの燃焼における空燃比とに大きく左右される。
【００１２】
ガスタービン圧縮機吸込空気温度は、屋内／屋外吸気による操作で意図的に変えられるが、基本的には自然条件により決定される。加圧流動層ボイラの燃焼における空燃比は、ボイラの運転状況を変えることによりある程度の自由度は有しているが、ガスタービン圧縮機の上限値以上は不可能である。このように現状ではガスタービン出力増の対策はある程度可能であるが、例えば圧縮機吸込空気温度が予想より高い場合、等の何んらかの理由によりガスタービン出力が制約を受ける場合において、現状技術で実施可能な対策以上のガスタービン出力増を行なわなければならないケース（ガスタービン認可出力試験等）がある。このような場合には、現状ではガスタービン出力増加の対応ができない。
【００１３】
又、石炭ガス化複合発電システムにおいても同様に、何んらかの理由によってガスタービン出力が制約を受ける場合において、現状技術における対策以上のガスタービン出力増を行なわなければならないケース（ガスタービン認可出力試験等）があり、この場合にも現状技術で対応可能な出力以上の増加は不可能である。
【００１４】
そこで本発明は、加圧流動床複合発電システムや石炭ガス化複合発電システム等のガスタービンと蒸気タービンを発電装置として有する複合発電システムにおいて、従来のような圧縮機吸込空気温度を変えたり、ボイラの燃焼における空燃比を変えるような対策以外に、既設ガスタービンへ導かれる燃焼ガスの組成を変えることによりガスタービン出力増を図ることのできるガスタービン出力増加方法を提供することを課題としてなされたものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するために次の方法を提供する。
【００１６】
空気供給系からの空気と燃料供給系からの燃料を燃焼させ、蒸気を発生し燃焼排気ガスを排出するボイラを有し、同ボイラからの前記蒸気で蒸気タービンを駆動すると共に、前記ボイラからの前記燃焼排気ガスでガスタービンを駆動する複合発電システムにおいて、前記ボイラで発生した蒸気の流路の途中から蒸気を一部抽気し、前記空気供給系に混入することを特徴とする複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法。
【００１７】
本発明は上記のようにボイラで発生した蒸気の一部を抽気し、蒸気をボイラの空気供給系に混入すると、ボイラで蒸気が更に加熱されて燃焼ガスに混入し、ガスタービン入口に供給されるので、ガス温度の降下がなく、ガスタービン出力増加が最も効果的になされる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態及び検討例について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の参考としての第１検討例に係る複合発電システムのガスタービン出力増加方法を適用するシステムの系統図である。図において、加圧流動床ボイラ１、集じん装置１４、ガスタービン１５、圧縮機１６、蒸気タービン２１、復水器２２、主蒸気配管系３０及び再熱蒸気配管系３１の構成は図６に示すシステムと同じ構成であり、本第１検討例ではこの従来の構成に抽気配管系２を設けた点に特徴を有する。
【００１９】
蒸気抽気配管系２は再熱蒸気配管系３１と集じん装置１４出口との間に設けられ、高温再熱蒸気を抽気し、加圧流動床ボイラ１の出口の排ガスに抽気蒸気を混合し、蒸気の混合された排ガスをガスタービン１５へ供給する。
【００２０】
上記の構成においては、蒸気抽気配管系２は集じん装置１４の出口側に蒸気を抽入しているので、集じん装置１４の通過ガス量は従来と変わらず、ガスタービン１５の入口温度は多少降下するが、ガスタービン出力レスポンスは急であり、ガスタービン１５の出力は蒸気を抽気しない時よりも増加する。但し、本第１検討例においては、ガスタービン１５が瞬間的にサージング領域（２５％マージン）に入らないように注意する必要がある。
【００２１】
図２は本発明の実施の参考としての第２検討例に係る複合発電システムの系統図である。図において、第１検討例と異る点は、蒸気抽気配管系３であり、蒸気抽気配管系３は、主蒸気配管系３０で高圧タービンを駆動してその低温蒸気を加圧流動床ボイラ１へ戻す低温側の再熱蒸気配管系と、加圧流動床ボイラ１の出口との間で、集じん装置１４の入口側に設けられ、低温再熱蒸気を抽気し、ボイラ１の出口排ガスにその蒸気を混合し、ガスタービン１５へ供給する。
【００２２】
上記の構成においては、蒸気抽気配管系３は集じん装置１４の入口側に蒸気を抽入しているので、集じん装置１４通過ガス量は従来より増加し、ガスタービン１５の入口ガス温度は、蒸気が集じん装置１４を通過して温度が降下する分低くなり、上記の第１検討例よりは更に低下するが、ガスタービン出力レスポンスは同様に急であり、ガスタービン１５の出力も上記の第１検討例程効果がないが、増大する。又、第１検討例と同様にガスタービン１５が瞬間的にサージング領域（２５％マージン）に入らないように注意が必要である。
【００２３】
図３は本発明の実施の第１形態に係る複合発電システムの系統図である。図において、第１、２検討例と異る点は蒸気抽気配管系４であり、蒸気抽気配管系４は低温側の再熱蒸気配管系と加圧流動床ボイラ１の空気供給系との間に設けられ、低温再熱蒸気を抽気し、加圧流動床ボイラ１への空気供給系にその蒸気を混合し、加圧流動床ボイラ１へ蒸気を混入した空気を供給している。
【００２４】
加圧流動床ボイラ１へ供給される空気に混入された蒸気は、ボイラ１内で流動床燃焼し、排ガスと一緒になって集じん装置１４に流入し、ガスタービン１５に供給されるので、集じん装置１４への通過ガス量はその分増加し、ガスタービン入口温度は、混合された蒸気がボイラ１内で昇温されるので温度降下は生ずることなく従来との変化はない。又、ガスタービン出力レスポンスは、蒸気がボイラ１を介して間接的に混入されるので緩やかであり、ガスタービンの出力増は上記の第１、第２検討例よりは最も大きい。
【００２５】
図４は上記に説明した第１、２検討例及び本発明の実施の第１形態それぞれのＩＧＶ（Ｉｎｌｅｔ  Ｇｕｉｄｅ  Ｖａｎｅ）開度と抽気蒸気量との関係を示しており、同一圧縮機吸込空気量（同一圧縮機吸込温度においてはＩＧＶ開度により決まる）を横軸に、同一ガスタービン出力増加量を得るのに必要な各系統からの必要抽気蒸気量を縦軸に示し、両者間の関係例を示している。
【００２６】
図４中、（Ａ）は図１に示す第１検討例を、（Ｂ）は図２に示す第２検討例を、（Ｃ）は図３に示す本発明の実施の第１形態をそれぞれ示し、同一ＩＧＶ開度において必要とする抽気蒸気量が一番多いのが（Ｂ）の低温側再熱蒸気配管系から蒸気を抽気し、ボイラ出口ガスに混入する場合であり、次に多いのが（Ａ）の高温再熱蒸気配管系から蒸気を抽気し、ボイラ出口ガスに混入する場合である。一番必要抽気蒸気量が少いのは（Ｃ）で、低温再熱蒸気配管系から蒸気を抽気し、ボイラの空気供給系に混入する場合である。
【００２７】
上記のように必要抽気蒸気量の多い順は（Ｂ），（Ａ），（Ｃ）であり、この理由は、（Ｂ）及び（Ａ）の場合は、抽気蒸気をボイラ〜ガスタービン入口間で混入するためにガス温度が低下し、結果的にガスタービン入口ガス温度が低下し、ガスタービンの出力増を減少させる現象が生ずるためである。その反面、（Ｃ）の場合は、ボイラ〜ガスタービン入口間での蒸気混入によるガス温度低下がないために各ケースの中で最も有効な方法となっている。
【００２８】
蒸気抽入によるガスタービンの出力増加の理由は、水分（Ｈ２Ｏ）がガスタービン入口ガス性状の中でも比熱が大きく、蒸気をガス中に混入することはガスの流量が増加するためであり、ガスタービンの出力増加に効果をもたらすものである。前述のように本発明においては、蒸気をガス中に混入し、ガスタービン入口ガス組成中の水分（Ｈ２Ｏ）の含有率を増加させ、上記理由によりガスタービン出力を増加させることができる。
【００２９】
上記の蒸気抽入方法のうち、（Ｃ）の低温再熱蒸気配管系から抽気し、ボイラの空気供給系に混入する場合で、定格点においてはボイラの空気供給系に蒸気を抽入することにより約１５０ｋｗ〜２００ｋｗ程度のガスタービン出力増が図れる。
【００３０】
プラントの部分負荷においてはボイラ出口ガス温度が低下するので、その分出力増加量は低くなる。図５は蒸気（Ｃ）の場合における部分負荷でのガスタービン出力増加量を示す図であり、プラント負荷が３０％では出力増加量は１００ｋｗ以下であるが１００％では１５０ｋｗ以上の増加量となっている。
【００３１】
なお、本発明の実施の第１形態においては、加圧流動床ボイラによる複合発電システムの例で説明したが、本発明は石炭ガス化複合発電システムにおいて蒸気タービンとガスタービンを組合せたシステムのガスタービンの出力増加方法としても適用され、同様の効果が得られるものである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方法は、空気供給系からの空気と燃料供給系からの燃料を燃焼させ、蒸気を発生し燃焼排気ガスを排出するボイラを有し、同ボイラからの前記蒸気で蒸気タービンを駆動すると共に、前記ボイラからの前記燃焼排気ガスでガスタービンを駆動する複合発電システムにおいて、前記ボイラで発生した蒸気の流路の途中から蒸気を一部抽気し、前記空気供給系に混入することを特徴としている。このような構成により、蒸気がボイラの空気供給系に供給され、蒸気はボイラで加熱された後、ガスタービンに供給されるのでガスタービン入口温度が低下することなく最も効果的にガスタービンの出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の参考としての第１検討例に係る複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法を適用するシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の参考としての第２検討例に係る複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法を適用するシステムの構成図である。
【図３】本発明の実施の第１形態に係る複合発電システムにおけるガスタービン出力増加方法を適用するシステムの構成図である。
【図４】  第１、第２検討例及び、本発明の実施の第１形態に係るガスタービン出力増加方法による抽気必要蒸気量を示す図である。
【図５】本発明の実施の第１形態におけるプラント負荷とガスタービン出力増加量との関係を示す図である。
【図６】従来の加圧流動床複合発電システムの代表的な系統図である。
【符号の説明】
１          加圧流動床ボイラ
２，３，４  蒸気抽気配管系
１４        集じん装置
１５        ガスタービン
１６        圧縮機
２１        蒸気タービン
３０        主蒸気配管系
３１        再熱蒸気配管系
【図１】
0003621809.tif 000002
【図２】
0003621809.tif 000003
【図３】
0003621809.tif 000004
【図４】
0003621809.tif 000005
【図５】
0003621809.tif 000006
【図６】
0003621809.tif 000007