(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の窒素と酸素を沸点の違いを利用して分留する酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造された酸素又は酸素富化空気を用いて石炭をガス化する石炭ガス化炉と、該石炭ガス化炉にて得られた石炭ガス化ガスを燃料として発電するガスタービン発電装置とを具備した石炭ガス化発電プラントにおいて、負荷変動時に負荷指令を満たすための酸素供給量を負荷指令，酸素／石炭の比の設定値及び実発電出力とから計算する酸素供給量計算装置と、該酸素供給量計算装置で得られた酸素供給量を前記石炭ガス化炉の状態に応じて補正する酸素供給量補正装置と、該酸素供給量補正装置によって得られた酸素供給量が達成されるように前記酸素製造装置への原料空気の供給系統を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラント。
【請求項２】
請求項１に記載の石炭ガス化発電プラントにおいて、前記石炭ガス化炉へ供給すべき石炭量を負荷指令から計算する石炭供給量計算装置と、該石炭供給量計算装置で得られた値を前記酸素供給量補正装置で得られた酸素供給量及び実酸素供給量によって補正する石炭供給量補正装置と、該石炭供給量補正装置で補正された石炭供給量が達成されるように前記石炭ガス化炉へ石炭を供給する系統を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラント。
【請求項３】
請求項１に記載の石炭ガス化発電プラントにおいて、前記酸素供給量補正装置は石炭ガス化炉圧力の実測値と設定値との差を検出し、石炭ガス化炉圧力が一定に保たれるように酸素供給量を補正するものからなることを特徴とする石炭ガス化発電プラント。
【請求項４】
請求項１に記載の石炭ガス化発電プラントにおいて、前記石炭ガス化炉を１室２段式のガス化炉とし、該石炭ガス化炉におけるスラグ流下状態が悪化した場合に下段バーナへの酸素供給量を増やし、石炭ガス化ガスの精製ガス組成から石炭ガス化率が低下したと判断された場合に上段バーナへの酸素供給量を減らす酸素供給量コントローラを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素あるいは酸素富化空気を用いて石炭を部分酸化し、得られる石炭ガス化ガスを燃料としてガスタービンを用いて発電する石炭ガス化発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平3−290025 号公報にみられるように、従来の石炭ガス化発電プラントでは負荷指令が変化した場合、石炭ガス化炉への燃料投入量，ガスタービン燃焼器への燃料投入量のどちらかを最初に変化させる、あるいはこの両方をプラント状態に応じて重み付けして変化させるのが一般的である。このような制御方法を用いた場合でも、負荷変化割合が２〜３％／分であれば、酸化剤供給系が時間遅れなく追従するため、負荷指令を満たすと同時に石炭ガス化炉圧力を一定に保つことができる。
【０００３】
しかし、酸化剤供給系に酸素製造装置を用いる石炭ガス化発電プラントでは、負荷変化割合が５〜１０％／分となった場合、酸素製造装置の負荷追従性能は一般に２〜３％／分なので燃料投入に対する酸化剤供給がバランスしなくなる。
【０００４】
例えば負荷上昇時には酸化剤が急激に不足し、石炭ガス化炉の温度，圧力が急激に低下する。石炭ガス化炉の温度が急激に低下すると、石炭ガス化反応が起こらなくなり、ガスタービン燃焼に必要な発熱量が確保できなくなる。また、微粉炭が直接系外に排出されやすくなり、下流の伝熱管への付着，脱塵フィルターの目詰まりなどが生じる。温度低下によって溶融していたスラグの固化が始まり、スラグ排出孔が閉塞する事態に至ることもある。石炭ガス化炉の圧力が低下した場合、石炭ガス化炉への石炭および酸化剤の供給は石炭ガス化炉と供給系の差圧によって送出されているものであるから、石炭，酸素の供給量の制御が困難になり、温度，圧力の制御がさらに困難となる悪循環に陥る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は発電出力の負荷変化割合が５〜１０％／分となった場合においても、石炭ガス化炉に対する石炭と酸素の供給バランスを保ち、石炭ガス化炉の状態を安定に保持しながら、かつ負荷変化に追従できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空気中の窒素と酸素を沸点の違いを利用して分留する酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造された酸素又は酸素富化空気を用いて石炭をガス化する石炭ガス化炉と、該石炭ガス化炉にて得られた石炭ガス化ガスを燃料として発電するガスタービン発電装置とを具備した石炭ガス化発電プラントにおいて、負荷変動時に負荷指令を満たすための酸素供給量を負荷指令，酸素／石炭の比の設定値及び実発電出力とから計算する酸素供給量計算装置と、該酸素供給量計算装置で得られた酸素供給量を前記石炭ガス化炉の状態に応じて補正する酸素供給量補正装置と、該酸素供給量補正装置によって得られた酸素供給量が達成されるように前記酸素製造装置へ原料空気を供給する系統を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラントにある。
【０００８】
更に前記石炭ガス化発電プラントにおいて、石炭ガス化炉へ供給すべき石炭量を負荷指令から計算する石炭供給量計算装置と、該石炭供給量計算装置で得られた値を前記酸素供給量補正装置で得られた酸素供給量及び実酸素供給量によって補正する石炭供給量補正装置と、該石炭供給量補正装置で補正された石炭供給量が達成されるように前記石炭ガス化炉へ石炭を供給する系統を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラントにある。
【０００９】
更に又、前記石炭ガス化発電プラントにおいて、酸素供給量補正装置は石炭ガス化炉圧力の実測値と設定値との差を検出し、石炭ガス化炉圧力が一定に保たれるように酸素供給量を補正するものからなることを特徴とする石炭ガス化発電プラントにある。
【００１０】
また、前記石炭ガス化発電プラントにおいて、石炭ガス化炉を１室２段式のガス化炉とし、該石炭ガス化炉におけるスラグ流下状態が悪化した場合に下段バーナへの酸素供給量を増やし、石炭ガス化ガスの精製ガス組成から石炭ガス化率が低下したと判断された場合に上段バーナへの酸素供給量を減らす酸素供給量コントローラを備えたことを特徴とする石炭ガス化発電プラントにある。
【００１１】
酸素製造装置を有し、酸化剤として酸素、あるいは酸素富化空気を用いて石炭をガス化し、生成したガスを燃料としてガスタービンにより発電する石炭ガス化発電プラントにおいて、本発明は以下のような方法で負荷指令に従ってまず、先行的に酸化剤供給系を操作し、負荷追従する。すなわち、負荷変動時に負荷指令を満たすために必要な酸素供給量を、負荷指令，酸素／石炭の比の設定値，実発電出力とから計算し、この酸素供給量をガス化炉の状態に応じて補正し、この酸素供給量が得られるように原料空気圧縮機、あるいはガスタービン圧縮機，圧縮空気抽気弁を制御し、石炭ガス化炉へ供給すべき石炭量は負荷指令から計算し、この値を上記酸素供給量によって補正し、この値を用いて石炭供給用のフィーダーを制御する。
【００１２】
ここで、上記の負荷指令，酸素／石炭の比の設定値，実発電出力とから計算した石炭ガス化炉へ供給する酸素量は、石炭ガス化炉圧力の実測値と設定値との差によって補正し、石炭ガス化炉圧力を一定に保つ。
【００１３】
また、この酸素量は、石炭ガス化炉として石炭ガス化炉の上部と下部に石炭と酸素の供給バーナを有し、石炭ガス化炉下部からスラグを排出する１室２段式を用いた場合、石炭ガス化炉の状態としてスラグ流下状態と精製ガス組成を用いて補正する。すなわち、スラグ流下状態が悪化した場合には石炭ガス化炉下部への酸素供給量を増やし、精製ガス組成から石炭ガス化率が低下したと判断された場合には石炭ガス化炉上部への酸素供給量を減らす。
【００１４】
上記の石炭ガス化発電プラントにさらにガスタービン排ガスの熱を水蒸気として回収する排熱回収装置を設け、水蒸気を蒸気タービンに供給して発電し、ガスタービンと蒸気タービンを用いて複合発電することも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の対象とする石炭ガス化発電プラントの酸素供給に関する部分を示し、図３は石炭供給に関する部分を示している。まず、この図１と図３を用いて石炭ガス化発電プラントの概略を説明する。石炭ガス化発電プラントは石炭１と酸素あるいは酸素富化空気６を石炭ガス化炉３１０に供給して反応させ、生成した水素と一酸化炭素を主成分とする石炭ガス化ガス７を脱塵・脱硫し、これにより得られた精製ガスを燃料としてガスタービン５３０を用いて発電をするシステムである。
【００１６】
次に各部の概略を示す。石炭供給はまず石炭１を１００メッシュアンダーに粉砕し、粗粘物を除去し、ロックホッパ１０３で酸素製造装置２００からの副産物である窒素５によって加圧し、ガス化炉バーナへ供給することによって行う。
【００１７】
酸素製造装置２００は、空気３を空気圧縮機２１０で圧縮した圧縮空気、あるいはガスタービン圧縮機５１１から抽気した圧縮空気４を冷却して空気中の窒素と酸素を沸点の違いを利用して分留する装置である。
【００１８】
図１と図３に示した石炭ガス化炉３１０は１室２段式であるが、この方式では下段バーナ３１１からの供給は酸素／石炭比を高目にして石炭中の灰分を溶融する温度を維持し、上段バーナ３１２からの供給は酸素／石炭比を低目にして高い石炭ガス化効率を得られるようにする。石炭の灰分が溶融して生じるスラグ１１は下部から排出してスラグ水冷槽３３０にて捕集する。また、各段にはバーナが４本ずつ配置され、微粉石炭がガス化反応するための十分な粒子滞留時間を得るために、炉内で旋回流が形成されるようにする。
【００１９】
脱塵は石炭ガス化炉においてスラグとして排出することができなかった石炭中の灰分、およびガス化されなかった微粉石炭を捕集するために必要であり、サイクロンとダストフィルターの組み合わせによって行う。図１，図３の熱回収・脱塵部４０１がこれに相当する。脱硫装置４０２は精製ガス中の硫化水素を除去するための装置である。脱硫方法としては例えばＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）を吸収液とする方法が利用できる。この方法では硫化水素を一旦有機溶媒に吸収し、溶媒中の硫化水素濃度が高くなった時点でＨ2Ｓ を抽出し、この濃縮された硫化水素ガスを酸化して二酸化硫黄とし、従来の石炭火力発電所などで用いられている方法、すなわち炭酸カルシウムのスラリーと反応させて石膏として固定する方法を用いて脱硫する。この他にも炭酸カルシウム、あるいは酸化亜鉛の微粉粒子によって硫化水素を直接固定する乾式脱硫法も用いられる。
【００２０】
発電はガスタービンを用いて行うが、この方法は精製ガスをガスタービン圧縮機５１１からの圧縮空気４を用いて燃焼器５１２にて燃焼し、この高温・高圧の燃焼ガスが持つエネルギーをガスタービン５３０によって運動エネルギーに変換し、発電機５４０によって電力に変換するものである。ガスタービンの排ガス８は系外へ排出される。
【００２１】
次に本石炭ガス化発電プラントの運転方法を示す。
【００２２】
まず酸素供給に関する部分を図２を用いて示す。酸素供給にかかわるのは図２の太線部分であり、この太線部分と装置のつながりを示したのが図１である。まず最初に、負荷指令２１，酸素／石炭比の設定値２２，実発電出力，石炭ガス化炉圧力設定値２３と実測値との差から酸素供給量計算装置４０にて以下の式によって酸素供給量を計算する。
【００２３】
【数１】
0003646479.tif 000002
【００２４】
α：負荷指令と実発電出力の差に応じた補正
β：ガス化炉圧力設定とガス化炉実圧力の差に応じ補正
ここで、部分負荷効率はプラント固有の関係であり、試運転時に求めるものである。
【００２５】
また、実発電力および石炭ガス化炉圧力は図１ではそれぞれ発電機出力インジケータ６５およびガス化炉圧力インジケータ６３でモニターした値であり、これらの値と負荷指令或いはガス化炉設定圧力との差の補正には通常、比例積分制御を利用する。計算によって求めたこの酸素量はガス化炉の状態に応じて更に酸素供給量補正装置５０にて補正する。石炭ガス化炉として石炭ガス化炉の上部と下部に石炭と酸素の供給バーナを有し、石炭ガス化炉下部からスラグを排出する１室２段式を用いた場合には、石炭ガス化炉の状態としてスラグ流下状態と精製ガス組成を用いて補正する。すなわち、スクグ流下状態が悪化した場合には石炭ガス化炉下部への酸素供給量を増やし、精製ガス組成から石炭ガス化率が低下したと判断された場合には石炭ガス化炉上部への酸素供給量を減らす。スラグ流下状況を監視するために図１のようにスラグ流下状況インジケータ６２を設置する。ここで、ガス化炉とスラグ流下状態を判断する方法としては例えばスラグが急冷・破砕用の水を蓄えたスラグ水冷槽３３０に滴下する音をモニターし、この滴下する間隔を用いる方法，スラグ排出孔（石炭ガス化炉３１０とスラグ水冷槽330の接続部）の画像を撮影し、画像処理してこの開口面積を算出し、この値を用いる方法などがある。例えばスラグ滴下間隔をモニターする場合、以下に示す式で補正係数を算出する。
【００２６】
【数２】
0003646479.tif 000003
【００２７】
同様に、スラグ排出孔の開口面積をモニターする場合、以下に示す式で補正係数を算出する。
【００２８】
【数３】
0003646479.tif 000004
【００２９】
この関数ｆは図７のような形状とする。すなわち、スラグ流下が定格時よりも順調な場合（図７の横軸が１.０ 以下の場合）は補正の必要はないので補正係数（図７の縦軸）は１.０ である。定格流量から酸素供給量を増やすことは効率低下につながるので本来望ましくないので、スラグ流下状況が多少悪化しても酸素供給量は大きく変化させない。しかし、いったん排出孔が閉塞すると運転不能な状態になるので、スラグ流下状況がさらに悪化してきた場合には速やかに酸素供給量を増量する。ただし、酸素供給量の増量はガス温度の上昇をもたらすものであり、ガス化炉壁にとっては好ましいものではない。そこで、酸素供給量の増量はガス化炉壁が損傷しない値をもって上限値とする必要がある。このようにして求めたこの酸素供給量に応じて石炭ガス化炉の下段酸素供給弁９２、および上段酸素供給弁９３の開度を計算し、下段酸素供給弁コントローラ５２，上段酸素供給弁コントローラ５３によって弁を操作する。また、この酸素供給量が得られるようにガスタービン圧縮機の制御量を計算し、ガスタービン圧縮機コントローラ５５によって空気流量調整弁９５とインレットガイドベーン９８を操作する。同様に原料空気圧縮機２１０の制御量，圧縮空気抽気弁９１の開度を計算し、それぞれ原料空気圧縮機コントローラ５７，圧縮空気抽気弁コントローラ５１を用いて弁を操作する。
【００３０】
次に石炭供給に関する部分を図４を用いて示す。石炭供給に関するのは図４の太線部分であり、この太線部分と装置のつながりを示したのが図３である。まず負荷指令から石炭ガス化炉へ供給すべき石炭量を石炭供給量計算装置６０にて以下の式を用いて計算する。
【００３１】
【数４】
0003646479.tif 000005
【００３２】
この値を上記のようにして求めた酸素供給量、および実際に石炭ガス化炉へ供給されている実酸素供給量の差によって石炭供給量補正装置７０にて補正する。ここで実酸素供給量は図３では酸素流量インジケータ６１によって計測した値であり、この補正には通常、比例積分制御を用いる。この値を用いて石炭供給用のフィーダー回転数を計算し、石炭供給モータコントローラ５６を用いてフィーダーのモータ９６を制御する。
【００３３】
次にガスタービンへの精製ガス供給に関する部分を図６を用いて示す。ガスタービンへの精製ガス供給に関するのは図６の太線部分であり、この太線部分と装置のつながりを示したのが図５である。まず負荷指令，精製ガス組成の実測値から精製ガス供給量を計算する。この精製ガス供給量を負荷指令と実発電力との差から補正する。さらに、石炭ガス化炉の圧力設定値と石炭ガス化炉の圧力の実測値によって補正する。これらの補正には、通常、比例積分制御を利用する。ここで、実発電力および石炭ガス化炉圧力は図５ではそれぞれ発電機出力インジケータ６５およびガス化炉圧力インジケータ６３でモニターした値である。このようにして求めた精製ガス供給量の値を用いてガスタービン燃焼器への燃料流量調整弁９４の開度を計算し、精製ガス流量調整弁コントローラ５４によって燃料流量調整弁９４を操作する。また、上記の精製ガス供給量，精製ガス組成，精製ガス流量の実測値によってガスタービン燃焼器へ供給する空気量を補正する。空気量の補正には、通常、比例積分制御を利用する。ここで、精製ガス組成および精製ガス流量は図５ではそれぞれ精製ガス組成インジケータ６４，精製ガス流量インジケータ６６でモニターした値である。さらに、この空気量は天然ガスを燃料とする通常のガスタービンと同様の酸素補正も加える。このようにして補正した空気量に応じてガスタービン圧縮機５１１の制御量を計算し、ガスタービン圧縮機コントローラ５５によって空気流量調整弁９５とインレットガイドベーン９８を操作する。なお、ガスタービン圧縮機制御量はここで示したガスタービン燃焼器へ供給するための空気量と前記した酸素製造に必要な空気量を足しあわせた量が確保できるように求める。
【００３４】
【発明の効果】
ガスタービン燃焼器への燃料供給制御，石炭ガス化炉への石炭供給制御に先立って、酸素製造装置への原料空気供給を制御するため、大きな負荷変動中においても石炭ガス化炉の圧力変動を小さく押さえることができる。このため、負荷変動中の石炭，酸化剤の供給量の制御精度が飛躍的に向上し、目標とする酸素／石炭比が常に維持できる。石炭ガス化効率を最大とし、なおかつ石炭中に含まれる灰分をスラグとして流下させる運転が負荷変動中においても可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による石炭ガス化発電プラントの酸素供給に関する部分の一実施例を示した図である。
【図２】本発明による石炭ガス化発電プラントの制御方式の一実施例を示す図である。
【図３】本発明による石炭ガス化発電プラントの石炭供給に関する部分の一実施例を示した図である。
【図４】本発明による石炭ガス化発電プラントの制御方式の一実施例を示す図である。
【図５】本発明による石炭ガス化発電プラントのガスタービンへの精製ガス供給に関する部分の一実施例を示した図である。
【図６】本発明による石炭ガス化発電プラントの制御方式の一実施例を示す図である。
【図７】本発明による石炭ガス化発電プラントの制御系統の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…石炭、３…空気、４…圧縮空気、５…窒素、６…酸素あるいは酸素富化空気、７…石炭ガス化ガス、８…排ガス、１１…スラグ、２１…負荷指令、２２…酸素／石炭比の設定値、２３…石炭ガス化炉圧力設定値、４０…酸素供給量計算装置、５０…酸素供給量補正装置、５１…圧縮空気抽気弁コントローラ、５２…下段酸素供給弁コントローラ、５３…上段酸素供給弁コントローラ、５４…精製ガス流量調整弁コントローラ、５５…ガスタービン圧縮機コントローラ、５６…石炭供給モータコントローラ、５７…原料空気圧縮機コントローラ、６０…石炭供給量計算装置、６１…酸素流量インジケータ、６２…スラグ流下状況インジケータ、６３…ガス化炉圧力インジケータ、６４…精製ガス組成インジケータ、  ６５…発電機出力インジケータ、６６…精製ガス流量インジケータ、７０…石炭供給量補正装置、９１…圧縮空気抽気弁、９２…下段酸素供給弁、９３…上段酸素供給弁、９４…燃料流量調整弁、９５…空気流量調整弁、９６…モータ、９８…インレットガイドベーン、１０３…ロックホッパ、２００…酸素製造装置、  ２１０…原料空気圧縮機、３１０…石炭ガス化炉、３１１…下段バーナ、３１２…上段バーナ、３３０…スラグ水冷槽、４０１…熱回収・脱塵部、４０２…脱硫装置、５１１…ガスタービン圧縮機、５１２…燃焼器、５３０…ガスタービン、５４０…発電機。
【図１】
0003646479.tif 000006
【図２】
0003646479.tif 000007
【図３】
0003646479.tif 000008
【図４】
0003646479.tif 000009
【図５】
0003646479.tif 000010
【図６】
0003646479.tif 000011
【図７】
0003646479.tif 000012