(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽油等の油系燃料、ＬＮＧ等のガス系燃料、石炭をガス化し脱塵・脱硫をした石炭ガス燃料、高炉等製鉄設備から発生するガス燃料、石油精製プラントから発生するガス燃料、または、加圧流動床ボイラから発生する高温・高圧の燃焼ガスを膨張させ発電を行うガスタービン設備を有し、ガスタービン設備の排気ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラから発生する蒸気により発電を行う蒸気タービン発電設備を有する複合発電プラントにおいて、ガスタービン設備の空気圧縮機入口空気ダクト部及び、ガスタービン設備入口の燃料配管部、または加圧流動床ボイラでは高温燃焼ガス配管部に、計測窓を介してレーザ法によるガス成分の計測装置を設置し、空気中及び、燃料中、または加圧流動床ボイラでは高温燃焼ガス中の腐触性微量ガス成分をオンラインでレーザにて計測し、ガスタービンの翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする複合発電プラント。
【請求項２】
軽油等の油系燃料、ＬＮＧ等のガス系燃料、石炭をガス化し脱塵・脱硫をした石炭ガス燃料、高炉等製鉄設備から発生するガス燃料、石油精製プラントから発生するガス燃料、または、加圧流動床ボイラから発生する高温・高圧の燃焼ガスを膨張させ発電を行うガスタービン設備を有し、ガスタービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラから発生する蒸気により発電を行う蒸気タービン発電設備を有する複合発電プラントにおいて、ガスタービン設備出口の排気ダクト部または、排熱回収ボイラ中間部又は出口部に計測窓を介して、レーザ法によるガス成分の計測装置を設置し、ガスタービン排気ガス中の腐触性微量ガス成分をオンラインでレーザにて計測し、ガスタービン設備の翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする複合発電プラント。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の複合発電プラントにおいて、レーザ法によるガス成分の計測装置は、レーザ誘起ブレークダウン法とレーザ誘起蛍光法を組み合わせた計測装置であることを特徴とする複合発電プラント。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の複合発電プラントにおいて、レーザ法によるガス成分の計測装置の計測時間を変化させること或いは、レーザ法によるガス成分の計測装置の計測部焦点位置を変化させることで、前記ダクトや燃料配管、加圧流動床ボイラでは高温・高圧燃焼ガス配管の奥行き方向に前記腐触性微量ガス成分分布を計測し、ガスタービン設備の翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする複合発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合発電プラントに関する。詳しくは、複合発電設備の主要設備であるガスタービン設備の翼列等高温部品の寿命監視をオンラインで行い同プラントの運転性、信頼性の向上に寄与するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複合発電プラントでは、燃料及び空気の清浄度を高めれば、その燃焼生成物の清浄度も十分高いはずであるとの考えから、排気ガス中のＮa，Ｋ，Ｖ等のアルカリ金属成分、Ｃl，Ｆ等ハロゲン成分、Ｚn，Ｈg等の金属成分などの腐触性微量ガス成分について特別な監視装置は設置していない。
【０００３】
燃料の清浄度を高めるためには、従来では、ガスタービン設備に使用する燃料の性状条件にアルカリ金属含有率、ハロゲン含有率、金属成分含有率に厳しい条件を設定することで対処している。また、空気圧縮機については吸気フィルタを設置し清浄度をあげて対処している。
【０００４】
また、図４に示す様なサンプリング装置で微量ガス成分を吸引し分析する方法では、微量なガスの計測であるため、吸引時間が長く必要で、かつ、精度の高い計測・分析を行うには、サンプリング管内付着物等まで洗浄し分析する必要があり、計測結果が得られるまで数日を要する。またそれに必要な計測員も数人必要で、常時監視するのは経済的ではない。
【０００５】
図４は従来用いられている微量ガス成分の計測法を示したものである。燃料配管４の被計測場２９に、ガスサンプリングプローブ３８を挿入し、ガスを吸引し、サンプリング管３９、減圧弁４０を通して、吸収液ビン４１に導かれる。そこで被計測ガス成分が吸収液に吸収される。その後ガスメータ４２で流量を計測後放出される。サンプリング管３９は被計測ガス成分に応じ電気ヒータ等で加温する必要がある。
【０００６】
吸収液に吸収された量を分析し、またガスメータ４２で計測した吸引ガス量からガス中の微量ガス成分を計測する。またより高い計測精度が要求される場合は、サンプリング管３９内壁への付着物まで洗浄液で洗い流して、その洗浄液に含まれる微量ガス成分を計測する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、複合発電プラントでは、ガスタービン設備の燃料条件にアルカリ金属含有率、ハロゲン含有率、金属成分含有率に厳しい条件を設定することで燃料清浄化に対処し、また、空気圧縮機については吸気フィルタを設置することで空気清浄化に対処している。
そのため、ガスタービンの翼列を通過する燃焼ガスの腐触性ガス成分は、基本的にガスタービンの許容値以下となることを想定している。
【０００８】
しかしながら、実際には大気の過度な汚濁や、ガスタービン設備空気圧縮機の吸気フィルタの部分的損傷や、燃料性状の変動等があり、常時清浄度が保証されている訳ではない。
ガスタービンの翼列は千数百℃〜５００℃の高温下で３０００ｒｐｍ以上の高速で回転し、温度、応力ともに厳しい環境下におかれる。その様な環境下で、翼列を通過する燃焼ガス中に、例えば許容値以上のＮaが存在すれば、Ｎa2ＳＯ4等の溶融塩が形成され、翼金属の表面に付着して、翼金属の腐触を招き、また翼表面にある冷却孔の閉塞を招く虞がある。
【０００９】
本発明は、複合発電プラントのガスタービン設備での腐触性微量ガス成分をオンラインでレーザにて計測し、ガスタービンの翼列等高温部品の監視を行うことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る複合発電プラントは、軽油等の油系燃料、ＬＮＧ等のガス系燃料、石炭をガス化し脱塵・脱硫をした石炭ガス燃料、高炉等製鉄設備から発生するガス燃料、石油精製プラントから発生するガス燃料、または、加圧流動床ボイラから発生する高温・高圧の燃焼ガスを膨張させ発電を行うガスタービン設備を有し、ガスタービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラから発生する蒸気により発電を行う蒸気タービン発電設備を有する複合発電プラントにおいて、ガスタービン設備の空気圧縮機入口空気ダクト部及び、ガスタービン設備入口の燃料配管部、または加圧流動床ボイラでは高温燃焼ガス配管部に、計測窓を介してレーザ法によるガス成分の計測装置を設置し、空気中及び、燃料中、または加圧流動床ボイラでは高温燃焼ガス中の腐触性微量ガス成分をオンラインでレーザにて計測し、ガスタービンの翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る複合発電プラントは、軽油等の油系燃料、ＬＮＧ等のガス系燃料、石炭をガス化し脱塵・脱硫をした石炭ガス燃料、高炉等製鉄設備から発生するガス燃料、石油精製プラントから発生するガス燃料、または、加圧流動床ボイラから発生する高温・高圧の燃焼ガスを膨張させ発電を行うガスタービン設備を有し、ガスタービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラから発生する蒸気により発電を行う蒸気タービン発電設備を有する複合発電プラントにおいて、ガスタービン設備出口の排気ダクト部または、排熱回収ボイラ中間部又は出口部に計測窓を介して、レーザ法によるガス成分の計測装置を設置し、ガスタービン排気ガス中の腐触性微量ガス成分をオンラインでレーザにて計測し、ガスタービン設備の翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の請求項３に係る複合発電プラントは、請求項１及び請求項２に記載の複合発電プラントにおいて、レーザ法によるガス成分の計測装置は、レーザ誘起ブレークダウン法とレーザ誘起蛍光法を組み合わせた計測装置であることを特徴とする。
【００１３】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る複合発電プラントは、請求項１、２又は３記載の複合発電プラントにおいて、レーザ法によるガス成分の計測装置の計測時間を変化させること或いは、レーザ法によるガス成分の計測装置の計測部焦点位置を変化させることで、前記ダクトや燃料配管、加圧流動床ボイラでは高温・高圧燃焼ガス配管の奥行き方向に前記腐触性微量ガス成分分布を計測し、ガスタービン設備の翼列等高温部品の監視を行うことを特徴とする。
【００１４】
〔作用〕
本発明では、レーザ法によるガス成分の計測装置を燃焼用空気の吸気ダクト及び燃料配管に設けることにより、ガスタービン燃焼器へ入る金属翼の腐食の原因となるガス成分の総量を監視し、経済的な方法で、ガスタービン設備の監視が可能となる。
これにより、経済的な方法で、ガスタービン設備の監視が可能となり、複合発電プラント全体の運転性、信頼性の向上が図れる。
また、レーザ法によるガス成分の計測装置を、ガスタービン燃焼器以後の各部に設けることで、金属翼の腐食の原因となるガス成分の総量を監視できると共に、計測窓のパージ等が容易となり、計測部での温度が低下することから、断熱構造の容易性及び計測の難易度も楽になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１は本発明を適用した実施例の一つである。空気は吸気フィルタ１、吸気ダクト２を通り、空気圧縮機３で約１５ａｔａまで圧縮された後、ガスタービン燃焼器６に入る。
【００１６】
一方、燃料配管４には、軽油等の油系燃料、ＬＮＧ等のガス系燃料、石炭をガス化し脱塵・脱硫をした石炭ガス燃料、高炉等製鉄設備から発生するガス燃料、石油精製プラントから発生するガス燃料、または加圧流動床ボイラからの高温燃焼ガスが供給され、制御弁５を通り、ガスタービン燃焼器６に入り、前記圧縮空気と燃焼し高温・高圧（約１３００℃、１４ａｔａ）のガスとなる。
【００１７】
高温高圧のガスはガスタービンエキスパンダ７で膨張し、発電機１７で発電を行う。膨張後のガスタービン排気ガス（約６００℃、６００ｍｍＡｑ）は、排気ガスダクト８を経て、排熱回収ボイラ９に送られ、蒸気１０を発生し、排熱回収ボイラ出口ダクト１６を通じて、煙突１９から排出される。
【００１８】
蒸気１０は蒸気制御弁１１を通して、蒸気タービン１２で膨張し、発電機１８で発電を行う。蒸気タービン１２出口の蒸気１３は復水器１４で復水となり、排熱回収ボイラへの給水１５となる。
吸気フィルタ１を通過した空気中のＮa，Ｋ，Ｖ等のアルカリ金属成分、Ｃl，Ｆ等ハロゲン成分、Ｚn，Ｈg等の金属成分などの腐触性微量ガス成分は吸気ダクト２に設置されたレーザ法によるガス成分の計測装置２０にて計測される。
【００１９】
また燃料中に含まれるＮa，Ｋ，Ｖ等のアルカリ金属成分、Ｃl，Ｆ等ハロゲン成分、Ｚn，Ｈg等の金属成分などの腐触性微量ガス成分は燃料配管４に設置されたレーザ法によるガス成分の計測装置２１にて計測される。
このレーザ法によるガス成分の計測装置２０、２１で計測された量の合計がガスタービン燃焼器６をへてガスタービンエキスパンダ７に入り、金属翼の腐触の原因となる総量であるから、これらの総量をオンラインで計測し、許容値と比較することで点検時期を決定したり、経験を積み重ねることで寿命監視が可能となる。
【００２０】
〔実施例２〕
図２は本発明を適用したその他の実施例である。基本的なプラント構成は図１の実施例と同じである。
但し、本実施例では、レーザ法によるガス成分の計測装置を設置する場所として選択可能な三箇所を示すものである。
即ち、ガスタービン燃焼器以後の排気ガスダクト８、排熱回収ボイラ９の中間部又は排熱回収ボイラ出口ダクト１６のいずれかにレーザ法によるガス成分の計測装置２２，２３又は２４を設置することができる。
【００２１】
本実施例では計測部がほぼ大気圧に近く、図１の燃料配管中計測に比べ、計測窓のパージ等が容易となる利点がある。
また、レーザ法によるガス成分の計測装置２２，２３，２４は、その順で温度が低下する（約６００℃→１００℃）ことから、断熱構造等、計測の難易度もその順で楽になるという特徴がある。
【００２２】
〔実施例３〕
図３は本発明の実施例の一つで、ガス中の微量成分を計測するのに好適なレーザガス成分の計測装置として、レーザ誘起ブレークダウン法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy＝ＬＩＢＳ法）とレーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence＝ＬＩＦ法）を組合わせて使用するものである。
【００２３】
即ち、プラズマ用レーザ２５（被計測部にレーザで誘起されたプラズマを生成させるためのレーザ）をレンズ２６を用いて、パージ２７付き光学窓２８を通して、燃料配管４の中の被計測場２９に集光し、そこに存在する気体、液体、固体をプラズマ化させる。
【００２４】
プラズマ用レーザ２５と同期させて、成分励起用レーザ３０（物質中の被測定成分の励起波長に対応する波長を発振するレーザ）の出力をミラー３１及びレンズ２６を介してレーザ誘起されたプラズマ中に入射する。
プラズマ発光、並びに成分励起用レーザ光により励起された被測定成分が発する蛍光は、ミラー３２を介してレンズ３３で集光され、分光器３４へ入射され、ＣＣＤカメラ３５にてそれぞれ検出される。
【００２５】
それぞれの信号はコンピュータ３６に転送され、プラズマ発光の信号より、被測定場２９の成分組成並びに、プラズマ温度を求め、その情報より蛍光強度の補正を行い、被測定場２９に存在する微量成分の濃度を算出する。３７はプラズマ用レーザ２５及び成分励起用レーザ３０の発振とＣＣＤカメラ３５を同期させるラインである。
このように本実施例では、ＬＩＢＳ法とＬＩＦ法を組合わせて使用することで、微量なガス成分の計測精度の向上を図ることができる。
【００２６】
更に、レーザガス成分の計測装置の計測時間を変化させることにより、前記ダクトや燃料配管、加圧流動床ボイラでは高温・高圧燃焼ガス配管を奥行き方向に前記腐触性微量ガス成分分布を計測することが可能である（ＬＩＦ法に有効）。
【００２７】
即ち、パルスレ−ザ光及び蛍光伝搬と検出器での蛍光強度検出時間の関係を図５に示す。レーザ光の速度は３×１０8（ｍ／ｓ）であるため、レーザ入射側に近い部分で発生する蛍光と遠い部分で発生する蛍光ではレーザ光及び蛍光の伝搬距離に差（２Ｌ）が生じる。
【００２８】
そのため、レ−ザからパルスレーザ光が出力され、計測場を伝搬し、計測場で発生した蛍光が蛍光検出器で検出されるまでの時間に計測点Ａと計測点Ｂでは２Ｌ／Ｃ（Ｃ：光速）の差が生じる。そのため、光倹出器の計測時間を変化させることにより各散乱点の距離精報が入手できる。
【００２９】
また、レーザガス成分の計測装置の計測部焦点位置を変化させることで、前記ダクトや燃料配管、加圧流動床ボイラでは高温・高圧燃焼ガス配管を奥行き方向に前記腐触性微量ガス成分分布を計測することが可能である（ＬＩＢＳ法に有効）。
【００３０】
即ち、パルスレーザ光及び蛍光伝搬と焦点位置の関係を図６に示すように、レーザ光を集光し、プラズマを発生させる方法（ＬＩＢＳ法）においては、レ−ザ光を集光するとその焦点でレーザ光のエネルギー密度が上昇し、プラズマが発生する。
【００３１】
焦点以外の地点では、レーザ光のエネルギー密度が低下するためプラズマ光は発生しない。信号光はプラズマ生成部のみから発生するため、この性質を利用し、レーザ光の焦点位置を変化させることにより、計測位置を特定し、奥行き方向の成分計測を行う。
【００３２】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明では、レーザ法によるガス成分の計測装置を燃焼用空気の吸気ダクトと燃料配管に設けることにより、ガスタービン燃焼器へ入る金属翼の腐食の原因となるガス成分の総量を監視し、許容値と比較することにより、経済的な方法で、ガスタービン設備の監視が可能となり、複合発電プラント全体の運転性、信頼性の向上が図れる。また、レーザ法によるガス成分の計測装置を、ガスタービン燃焼器以後の各部に設けることで、前述したと同様に、金属翼の腐食の原因となるガス成分の総量を監視できると共に、計測窓のパージ等が容易となる。更に、温度が低下することから、断熱構造の容易性及び計測の難易度も楽になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の一つに係る複合発電プラントの説明図である。
【図２】本発明の他の実施例に係る複合発電プラントの説明図である。
【図３】本発明の実施例の一つに係るレーザ法によるガス成分の計測装置の説明図である。
【図４】従来技術に係る微量ガス成分の計測法の説明図である。
【図５】ＬＩＦ法に有効なレーザ法によるガス成分の計測装置の計測時間を変化させる方法の説明図である。
【図６】ＬＩＢＳ法に有効なレーザ法によるガス成分の計測装置の計測部焦点位置を変化させる方法の説明図である。
【符号の説明】
１  吸気フィルタ
２  吸気ダクト
３  空気圧縮機
４  燃料配管
５  制御弁
６  ガスタービン燃焼器
７  ガスタービンエキスパンダ
８  排気ガスダクト
９  排熱回収ボイラ
１０，１３  蒸気
１１  蒸気制御弁
１２  蒸気タービン
１４  復水器
１５  給水
１６  排熱回収ボイラ出口ダクト
１７，１８  発電機
１９  煙突
２０，２１，２２，２３，２４  レーザ法によるガス成分の計測装置
２５  プラズマ用レーザ
２６，３３  レンズ
２７  パージ
２８  光学窓
２９  被計測部
３０  成分励起用レーザ
３１，３２  ミラー
３４  分光器
３５  ＣＣＤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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