(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原油を所定の蒸留温度で蒸留して低沸点留分と高沸点留分とに分離し、前記低沸点留分をガスタービンの燃料として使用し、前記高沸点留分を蒸気タービン用ボイラの燃料として使用するコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法であって、前記低沸点留分と前記高沸点留分の必要量に応じて、前記蒸留温度を調整して前記低沸点留分と前記高沸点留分の生成比率を制御することを特徴とするコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油焚きガスタービン・コンバインド・サイクル発電に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在日本における火力発電は、ボイラにより生じた高温高圧の蒸気で蒸気タービンを回転させて発電する方式が主なものである。そのボイラ燃料としては、主に重油や原油が使用されているが、それらのうち、原油焚きの場合はワックス分が多く、かつＳＯｘの発生量の少ない低硫黄含有原油、例えばミナス産原油や大慶産原油が好んで使用されている。
【０００３】
そのほか、最近では良質燃料であるＬＮＧを用いたコンバインド・サイクル発電設備も採用されている。前記原油や重油のボイラ焚き及び蒸気タービンによる発電では、熱効率が４０％前後／ＨＨＶ基準（ＨＨＶ：高位発熱量）と比較的低い。
【０００４】
これに対して、ＬＮＧ焚きで採用されているコンバインド・サイクル発電は、ガスタービンにおいて燃料を燃焼させ、その高温排ガスをボイラで再燃させて蒸気タービンを運転し再度発電する方法（いわゆる排気再燃型）であり、熱効率が４８％前後／ＨＨＶ基準と飛躍的に向上する。
【０００５】
このため、石油消費量増大抑制の見地からより熱効率の高い発電方法へと転換を迫られている近年においては、上記コンバインド・サイクル発電の発展が強く望まれている。ところが、従来のＬＮＧのコンバインド・サイクル発電では、ＬＮＧが貯蔵にコストがかかる上、石油火力へＬＮＧを供給する場合、パイプライン埋設に高コストがかかる。
【０００６】
一方、原油を燃料とするいわゆる油焚きガスタービン・コンバインド・サイクル発電については、欧米で実施された例もあるが、原油に含まれる不純物によりトラブルが多く発生し、保守費用が嵩むという問題があり、この点で実用化に難があった。というのは、原油に含まれる塩分とバナジウムと硫黄分とが相互に影響してガスタービン中で低融点の物質となりブレードに付着し、ブレードの腐食を起こすためである。
【０００７】
またこのため、ガスタービン用の燃料としては、塩分及びバナジウムの含有濃度が０．５ｐｐｍ以下とする基準が一般的に採用されており、また硫黄分についても０．５ｗｔ．％以下であることが好ましいとされているが、前記ミナス産原油や大慶産原油のような低硫黄含有原油でも少なくとも塩分やバナジウムについてのこれら基準を満足できず、熱効率のよいコンバインド・サイクル発電のタービン燃料としてはそのまま利用できなかった。したがって、結果として原油をガスタービンの燃料とする油焚きガスタービン・コンバインド・サイクル発電の実用化も困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで出願人は、上記不純物の問題を解決するものとして、例えば特願平４−２８７５０４号（特開平６−２０７１８０号）により、脱塩処理された原油を所定の温度で蒸留して低沸点留分と高沸点留分とに分離し、低沸点留分をガスタービンの燃料として使用し、一方高沸点留分を蒸気タービン用ボイラの燃料として使用するという、原油蒸留技術を利用した油焚きガスタービン・コンバインド・サイクル発電方法を提案し、実用化を進めている。
【０００９】
ところが、この発電方法では、一定の蒸留温度でそれぞれの燃料（低沸点留分又は高沸点留分）を生成する構成が当初考えられていたため、発電負荷の変動等に伴う燃料消費量の必要割合の変化に対して柔軟に対応することが困難であった。すなわち、タービン燃料とボイラ燃料の必要量の比率は、必ずしも一定ではなく発電負荷の変動等に伴い変化するが、蒸留温度が一定であると、タービン燃料としての低沸点留分の生成量と、ボイラ燃料としての高沸点留分の生成量の比率もほぼ一定になってしまう。
【００１０】
このため従来の構成ではこの燃料必要量の割合変化に対応できず、場合によってはなんらかの補助燃料の補給が必要になったり、余剰の燃料がでてしまう恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、原油蒸留技術を利用した油焚きガスタービン・コンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法であって、補助燃料の補給等を要することなく、タービン燃料とボイラ燃料の必要量の比率の変化に柔軟に対応できる燃料供給系運転方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、請求項１記載のコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法は、原油を所定の蒸留温度で蒸留して低沸点留分と高沸点留分とに分離し、前記低沸点留分をガスタービンの燃料として使用し、前記高沸点留分を蒸気タービン用ボイラの燃料として使用するコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法であって、前記低沸点留分と前記高沸点留分の必要量に応じて、前記蒸留温度を調整して前記低沸点留分と前記高沸点留分の生成比率を制御することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図１、図２及び図３により説明する。ここで図１は、本例のコンバインド・サイクル発電設備における燃料供給系統の構成を示す図であり、図２は、同コンバインド・サイクル発電設備における発電系統の構成を示す図である。また図３は、ミナス産原油の場合の蒸留温度と留分との関係を示す図である。
【００１４】
この発電設備の燃料供給系統は、主な構成機器として、図１に示すように、原油タンク１、原油供給ポンプ２、原油予熱器３〜６、原油加熱炉７、蒸留塔８、凝縮器９、タービン燃料供給ポンプ１０、還流ポンプ１１、タービン燃料タンク１２、ボイラ燃料供給ポンプ１３、ボイラ燃料タンク１４、給水予熱器１５，１６、タービン燃料レベルセンサ１７（図２では省略）、ボイラ燃料レベルセンサ１８（図２では省略）、原油供給量調整バルブ１９、蒸留量コントローラ２０を備える。
【００１５】
原油タンク１は、原油を貯留するもので、この原油としては脱塩処理された低硫黄原油を使用するのが好ましい。この低硫黄原油としては、排ガスの脱硫工程を簡略化できることから、できるだけ硫黄含有量の少ないものが好ましいことはいうまでもないが、通常硫黄含有量が１重量％以下、さらに好ましくは０．５重量％以下の原油が用いられる。このような原油としては、前述のミナス産原油や大慶産原油等を挙げることができる。
【００１６】
なお、原油中に含まれる硫黄分のほとんどは後述する蒸留により分離されるので、本発明の原油としては、必ずしも上記のような低硫黄原油を用いる必要はない。また、原油に含まれる塩分は、蒸留塔８による蒸留により高沸点留分側に残留し易く、蒸留の温度条件によっては、低沸点留分の塩分含有量が前述の基準値（０．５ｐｐｍ）以下となるので、本発明の原油は必ずしも脱塩処理されている必要はない。
【００１７】
また、脱塩処理を同一設備内で実施する場合には、原油を予め８０〜１５０℃程度に加熱する加熱手段を設けるとともに、例えば周知の脱塩手段であるディソルータを必要に応じて複数段設ければよい。このディソルータは、加熱した原油と淡水を混合し、例えば２万ボルト程度の静電圧を印加して水滴を凝集させて分離するものであり、原油の粘度を下げるとともに水と原油の比重差による分離を容易にするため、前述の如く原油を予め加熱するのが好ましい。
【００１８】
なお、原油タンク１から原油加熱炉７まで原油を送給する原油供給ライン２１の途上に上記ディソルータを配設し、原油予熱器３〜６のうちのいくつかを上記脱塩処理のための加熱手段として機能させることもできる。
【００１９】
原油供給ポンプ２は、原油タンク１内の原油を送り出し、原油供給ライン２１を介して原油加熱炉７さらには蒸留塔８へと圧送するものである。原油加熱炉７は、この場合、原油タンク１内の原油、ボイラ燃料タンク１４内の高沸点留分、或いは発電燃料とは別に用意された原油、重油、軽油、灯油、ナフサ、ＬＰＧ等を燃焼させて蒸留塔８に送られる原油を所定の蒸留温度まで加熱するものである。
【００２０】
なお、この場合この原油加熱炉７の加熱量は、蒸留量コントローラ２０により自動制御され、各燃料がそれぞれ必要量に応じた量だけ生成されるように蒸留温度（蒸留塔８の入口における原油温度）が調整される。すなわち、蒸留により生成する低沸点留分の量比率と蒸留温度との間には一定の関係があり、例えばミナス産原油の場合には図３に示すようになる。そして後述するように、この場合蒸留量コントローラ２０は、タービン燃料レベルセンサ１７とボイラ燃料レベルセンサ１８からのレベル信号に基づき、生成すべき低沸点留分と高沸点留分の量比率に相当する蒸留温度となるように原油加熱炉７の加熱量を制御する構成となっている。
【００２１】
なお蒸留温度は、ガスタービン用燃料となる低沸点留分のバナジウムや塩分或いは硫黄分の含有量が所望の値になるように、所定の許容範囲内で制御する必要があるが、この許容範囲は原油の性状や蒸留圧力に応じて決定すればよく、例えば常圧蒸留の場合には４２０℃程度以下の範囲とすればよい。
【００２２】
原油予熱器３，４或いは原油予熱器５，６は、この場合蒸留塔８の塔頂から導出されたガス（即ち低沸点留分）、或いは蒸留塔８の塔底から導出された液（即ち高沸点留分）からそれぞれ２段階で熱回収し、原油加熱炉７に送られる前に原油を順次加熱する熱交換器であり、これにより原油の加熱効率がアップして原油加熱炉７の負担が軽くなる。
【００２３】
蒸留塔８は、この場合、還流ポンプ１１及び還流ライン２２により塔頂から導出された低沸点留分が液として戻されて、原油の発生蒸気と向流的に接触して分離度を高める方式の蒸留塔（いわゆる精留塔）であり、具体的には例えば泡鐘塔や多孔板塔、或いは充てん塔が使用できる。
【００２４】
凝縮器９は、液ライン２３により蒸留塔８の塔頂から導出されたガス（即ち低沸点留分）を最終的に冷却して凝縮させる例えば多管式熱交換器であり、この場合凝縮しきれなかったガス（オフガス）が頂部から排出される。そして、この凝縮器９で凝縮された原油の低沸点留分は、底部から抜き出されて、一部が還流ポンプ１１及び還流ライン２２により蒸留塔８に戻され、残りがタービン燃料としてタービン燃料供給ポンプ１０によりタービン燃料タンク１２に送られる構成となっている。また、ボイラ燃料供給ポンプ１３は、蒸留塔８の塔底から導出された液（即ち高沸点留分）を液ライン２４によりボイラ燃料タンク１４に圧送するものである。
【００２５】
なお給水予熱器１５，１６は、蒸留塔８の塔頂から導出されたガス（即ち低沸点留分）、或いは蒸留塔８の塔底から導出された液（即ち高沸点留分）から熱回収し、後述するボイラ３５に送られるボイラ給水を加熱する熱交換器である。
【００２６】
タービン燃料レベルセンサ１７は、タービン燃料タンク１２内の燃料（低沸点留分よりなるタービン燃料）の液面高さに応じた信号を出力するレベルセンサであり、またボイラ燃料レベルセンサ１８は、ボイラ燃料タンク１４内の燃料（高沸点留分よりなるボイラ燃料）の液面高さに応じた信号を出力するレベルセンサであり、これらレベルセンサ１７，１８の検出信号は、図１に示すように蒸留量コントローラ２０に入力されている。
【００２７】
原油供給量調整バルブ１９は、この場合原油供給ポンプ２の吐出側に設けられて、原油タンク１内から蒸留塔８に送られる原油の流量を調整するもので、この場合蒸留量コントローラ２０により自動制御される。また蒸留量コントローラ２０は、各レベルセンサ１７，１８の検出信号により検知される各タンク１２，１４内の燃料の貯留量に基づいて、原油供給量制御調整バルブ１９の開度や原油加熱炉７の加熱量を制御し、各タンク１２，１４内の燃料の貯留量が一定範囲に維持されるように原油の蒸留量を制御するものであり、この場合図３に示すような蒸留温度と留分の関係に基づいて、高沸点留分と低沸点留分の生成比率を必要量に対応するように蒸留温度によって変化させる点に特徴を有する。
【００２８】
なお、具体的には例えば以下のような制御を行う。すなわち、各タンク１２，１４内の燃料の貯留量が通常範囲内にある場合には、後述のガスタービン３４の平均的な燃料の消費量に相当する基準量の低沸点留分と、後述のボイラ３５の平均的な燃料の消費量に相当する基準量の高沸点留分とがそれぞれ生成されるように、蒸留塔８に送られる原油の流量と蒸留温度とを制御する。
【００２９】
そして、このような通常状態から例えばガスタービン３４の燃料消費量のみが増加して、タービン燃料タンク１２内の貯留量のみが前記通常範囲の下限より低下した場合（低沸点留分の必要量の比率が増加した場合）には、高沸点留分の生成量が前記基準量に維持されつつ低沸点留分のみが前記基準量よりも多量に生成されるように（低沸点留分の生成比率が増加するように）、原油の供給流量とともに蒸留温度を上昇させる。
【００３０】
また逆に、タービン燃料タンク１２内の貯留量のみが前記通常範囲の上限を越えた場合（低沸点留分の必要量の比率が低下した場合）には、高沸点留分の生成量が前記基準量に維持されつつ低沸点留分のみが前記基準量よりも少量生成されるように（低沸点留分の生成比率が低下するように）、蒸留塔８に送られる原油の供給流量とともに蒸留温度を低下させる制御を行う。
【００３１】
さらに、タービン燃料タンク１２内の貯留量のみが前記通常範囲の外側に設定された許容範囲の下限より低下した場合（低沸点留分の必要量の比率がさらに増加した場合）には、前記基準量よりもさらに多量の低沸点留分が生成されるように蒸留温度をその許容範囲の最大限（例えば４２０℃）に制御するとともに、高沸点留分の生成量が過大にならない範囲で原油の供給流量を最大に増加させる。
【００３２】
また逆に、タービン燃料タンク１２内の貯留量のみが前記許容範囲の上限を越えた場合（低沸点留分の必要量の比率がさらに低下した場合）には、前記低沸点留分の生成のみを停止すべく原油の加熱を停止し、原油の供給流量を高沸点留分の必要量（ボイラ燃料タンク１４に送るべき前記基準量）に制御する。
【００３３】
また例えば、通常状態からガスタービン３４とボイラ３５の燃料消費量の両方が増加して、各タンク１２，１４内の貯留量がそれぞれ前記通常範囲の下限より低下した場合（高沸点留分と低沸点留分の必要量の比率がほぼ一定のまま、全体の必要量が増加した場合）には、高沸点留分と低沸点留分が前記基準量よりもそれぞれ多量に生成されるように、蒸留温度を前記通常状態の値に維持したまま原油の供給流量のみを増加させる。
【００３４】
また逆に、各タンク１２，１４内の貯留量がそれぞれ前記通常範囲の上限を越えた場合（高沸点留分と低沸点留分の必要量の比率がほぼ一定のまま、全体の必要量が低下した場合）には、高沸点留分と低沸点留分が前記基準量よりもそれぞれ少量生成されるように、蒸留温度を前記通常状態の値に維持したまま原油の供給流量のみを低下させる制御を行う。
【００３５】
さらに、各タンク１２，１４内の貯留量がそれぞれ前記許容範囲の下限より低下した場合（高沸点留分と低沸点留分の必要量の比率がほぼ一定のまま、全体の必要量がさらに増加した場合）には、前記基準量よりもさらに多量の高沸点留分及び低沸点留分がそれぞれ生成されるように、蒸留温度を前記通常状態の値に維持したまま原油の供給流量を能力最大に増加させる。
【００３６】
また逆に、各タンク１２，１４内の貯留量がそれぞれ前記許容範囲の上限を越えた場合（高沸点留分と低沸点留分の必要量の比率がほぼ一定のまま、全体の必要量がさらに低下した場合）には、高沸点留分及び低沸点留分の生成を停止すべく原油の加熱及び原油の供給を停止する。
【００３７】
次に、この発電設備の発電系統は、主な構成機器として、図２に示すように、タービン本体３１、圧縮機３２及び燃焼器３３からなるガスタービン３４、ボイラ３５、蒸気タービン３６、復水器３７、エコノマイザー３８を備える。ここでガスタービン３４は、燃焼器３３において、タービン燃料タンク１２から供給ライン４１を介して供給されたタービン燃料を、圧縮機３２により圧縮された空気と接触させて燃焼させ、タービン本体３１におけるこの燃焼ガスの膨張により出力軸を回転させて発電する周知のもので、この場合排気再燃型のコンバインド・サイクルを形成すべく、燃焼後の排ガス（残酸素濃度１１％〜１５％程度、温度５８０℃程度）が排ガスライン４２を経由してボイラ３５に供給される構成となっている。
【００３８】
ボイラ３５は、例えばスターリングボイラであり、対流伝熱部３５ａを有する。このボイラ３５には、燃料として前述のボイラ燃料タンク１４内のボイラ燃料が供給ライン４３を経由して供給され、またこのボイラ３５の排煙は排煙導出ライン４４を介して、図示省略した脱硝装置や集塵装置を経由するとともに、エコノマイザー３８により熱回収されて、図示省略した煙突に導かれて大気に放出される。なお、原油の性状によってはこの排煙中から硫黄分（特に亜硫酸ガス）を除去する脱硫装置を設けてもよい。また、エコノマイザー３８は、蒸気サイクルの熱効率向上のためにボイラ３５の排煙の熱によりボイラ給水を加熱する熱交換器である。
【００３９】
なお、図２では繁雑になるので図示省略しているが、蒸気タービン３６としては、いわゆる再熱サイクルを形成すべく、高圧、中圧、低圧といった具合に複数段の蒸気タービンを備えた構成とするとともに、またいわゆる再生サイクルを形成すべく、複数の抽気給水加熱器を設けて、熱効率を高度に確保した構成とするのが当然好ましい。この場合には、図１に示した給水予熱器１５，１６（図２では図示省略）も、復水器３７からボイラ３５に送られる給水を加熱し、蒸気サイクルの熱効率をさらに高めている。
【００４０】
以上のように構成された発電設備及びその運転方法によれば、まず、前述したような不純物に起因するガスタービン３４のブレード金属の腐食といった問題点を回避しつつ、コンバインド・サイクル発電の利点を生かした高効率な発電が実用的に可能となる。すなわち、原油タンク１から原油供給ポンプ２により送り出された原油は、原油予熱器３〜６により例えば２７０℃程度まで加熱された後、この場合独立に設けられた原油加熱炉７により最終的に前述したような所定の蒸留温度まで加熱される。
【００４１】
そして、蒸留温度が前述の許容範囲内に維持されれば、蒸留塔８の塔頂から導出される低沸点留分（即ち、タービン燃料）のバナジウムや塩分の含有濃度は、用意に基準値の０．５ｐｐｍ（ｗｔ．）以下に安定的に維持できるし、また硫黄分についても０．５〜０．０５ｗｔ．％以下に維持できる。すなわち重金属は、常圧蒸留の場合、ほとんどが約９００°Ｆ以上の高沸点留分に残留し、また塩分についても４２０℃（７８８°Ｆ）以上の高沸点留分に残留するため、この場合これらほとんどの不純物が高沸点留分側に残留し、ボイラ燃料タンク１４に送られるボイラ燃料中に含まれることになる。なお、ボイラ３５では、従来より重油等を燃焼させているので、このような不純物が含まれた燃料でもなんら問題なく運転可能である。
【００４２】
こうして、不純物濃度が十分に低い燃料がタービン燃料タンク１２から連続的にガスタービン３４に供給され、ガスタービン３４から排出される高温の排ガスがボイラ３５に導入されて再燃されることで、貯蔵が容易な原油を使用した高効率なコンバインド・サイクル発電が、原油中の不純物に起因するトラブルを発生させることなく信頼性高く運転できる。
【００４３】
そして本例の運転方法では、重金属や塩分のほとんどが高沸点留分側に分離される前述の温度条件内において、前述したように各タンク１２，１４の貯留量の変化に基づいて原油の供給量とともに蒸留温度を制御することで、高沸点留分と低沸点留分のそれぞれの必要量に応じて、それらの全体的な生成量（蒸留量）とともにその生成比率を変化させているので、燃料の全体的な消費量とともにガスタービン用燃料とボイラ用燃料の消費量の割合が変動するような場合でも、いずれの燃料についても補助燃料を必要とすることなく、また余剰の燃料をだすこともない。このため、補助燃料用タンク等を要しない簡単な設備で効率良く必要最小限の燃料を供給することが可能となる。
【００４４】
しかも上記形態例の場合には、前述したように、高沸点留分と低沸点留分をそれぞれ貯留するタンク１２，１４が設けられ、各タンクの絶対的な貯留量を一定の範囲に維持するように制御している。このため、各タンク１２，１４がバッファとして機能して、急激な燃料消費量の変動があった場合でも安定的に必要な量の燃料を供給することが可能となるとともに、これらタンク１２，１４が蒸留量一定制御の場合に比し小型なものですむという利点がある。
【００４５】
なお、本発明は上記形態例に限られず、各種の態様があり得る。例えば、上記形態例では、高沸点留分又は低沸点留分を貯留するタンク１２，１４の貯留量に基づいて各燃料の必要量を判断し、これに応じて蒸留温度を変化させて各燃料の生成比率を調整するようにしているが、例えばタービン３４及びボイラ３５にそれぞれ供給される燃料の供給流量を検出し、この供給流量の割合に応じて各燃料の生成比率が変化するように、蒸留温度を調整するようにしてもよい。
【００４６】
また、タンク１２，１４の貯留量に基づいて各燃料の必要量を判断する場合でも、上記例のように、一定範囲の上限下限を越えたか否かを基準に段階的に必要量の変化を判定して蒸留温度を調整する態様に限られず、貯留量の割合に応じて連続的に生成比率が変化するように蒸留温度を調整してもよい。
【００４７】
また上記形態例では、原油の供給量の調整（バルブ１９の操作）や原油加熱炉７の加熱量の操作等の運転操作をコントローラ２０よりなるシステムが自動的に行う構成としたが、例えば各タンクの貯留量等を作業者が判断して作業者のマニュアル操作により行ってもよいことはいうまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系運転方法によれば、高沸点留分と低沸点留分のそれぞれの必要量に応じて、蒸留温度を調整してそれらの生成比率を変化させているので、燃料の全体的な必要量とともにガスタービン用燃料とボイラ用燃料の必要量の割合が変動するような場合でも、いずれの燃料についても補助燃料を必要とすることなく、また余剰の燃料をだすこともなく、補助燃料用タンク等を要しない簡単な設備で効率良く必要最小限の燃料を供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例であるコンバインド・サイクル発電設備の燃料供給系統の構成を示す図である。
【図２】同コンバインド・サイクル発電設備の発電系統を示す図である。
【図３】ミナス産原油の性状（蒸留温度と留分の関係）を示す図である。
【符号の説明】
１      原油タンク
２      原油供給ポンプ
３〜６  原油予熱器
７      原油加熱炉
８      蒸留塔
９      凝縮器
１０    タービン燃料供給ポンプ
１１    還流ポンプ
１２    タービン燃料タンク
１４    ボイラ燃料タンク
１７    タービン燃料レベルセンサ
１８    ボイラ燃料レベルセンサ
１９    原油供給量調整バルブ
２０    蒸留量コントローラ
３４    ガスタービン
３５    ボイラ
３６    蒸気タービン
３７    復水器
【図１】
0003643647.tif 000002
【図２】
0003643647.tif 000003
【図３】
0003643647.tif 000004