(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気で重質油を加熱する重質油熱交換器と、
加熱された重質油と水の混合流体を改質燃料と残渣油に分離する改質器と、
該改質器から排出された改質燃料により駆動するガスタービンと、
該ガスタービンから排出された排熱ガスにより水を加熱して蒸気を生成するボイラを備えた重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記重質油熱交換器で重質油を加熱した後の湿り蒸気を乾き蒸気と水に分離する気液分離器と、
該気液分離器で分離した乾き蒸気が供給される蒸気圧縮機と、
該蒸気圧縮機で加圧した乾き蒸気を前記重質油熱交換器に再び供給する系統を備えたことを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【請求項２】
蒸気で重質油を加熱する重質油熱交換器と、
該重質油熱交換器から排出された重質油と水との混合流体を蒸気で加熱する混合流体熱交換器と、
該混合流体熱交換器から排出された混合流体を改質燃料と残渣油に分離する改質器と、
該改質器から排出された改質燃料により駆動するガスタービンと、
該ガスタービンから排出された排熱ガスにより水を加熱して蒸気を生成するボイラを備えた重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記重質油熱交換器で重質油を加熱した後に生じる湿り蒸気及び前記混合流体熱交換器で混合流体を加熱した後に生じる湿り蒸気を乾き蒸気と水に分離する気液分離器と、
該気液分離器で分離した乾き蒸気が供給される蒸気圧縮機と、
該蒸気圧縮機で加圧した乾き蒸気を前記重質油熱交換器及び前記混合流体熱交換器に再循環させる系統を備えたことを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【請求項３】
請求項１記載の重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記蒸気圧縮機の動力を前記ガスタービンから供給されることを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【請求項４】
請求項１記載の重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記気液分離器で分離された水を前記ボイラに供給し蒸気を生成した後に、前記重質油熱交換器へ再循環させる系統を備えたことを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【請求項５】
請求項１記載の重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記改質器で混合流体を加熱する改質熱交換器と、
前記蒸気圧縮機で加圧した乾き蒸気を前記改質熱交換器に供給する系統を備えたことを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【請求項６】
請求項１記載の重質油焚きガスタービンの発電システムであって、
前記改質器から排出された残渣油を前記ボイラに供給して燃焼させる系統を備えたことを特徴とする重質油焚きガスタービンの発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重質油焚きガスタービンの発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水が超臨界域またはその近傍となる反応条件下で重質油と水を混合し、重質油を分解して生成された改質油をガスタービン燃料に使用して発電するとともに、ガスタービンからの排熱ガスの保有熱を回収して蒸気を製造し、蒸気タービンを駆動するコンバインド発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４５３０８号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水を用いて重質油を改質する場合、一般に重質油と水の混合流体を３５０〜５５０℃程度の温度まで加熱することが望まれる。特許文献１では、重質油を加熱する重質油熱交換器及び重油と水の混合流体を加熱する混合流体熱交換器で加熱用蒸気との熱交換を行うことで、改質反応に必要な３５０〜５５０℃程度まで流体を加熱するコンバインド発電システムが示されている。
【０００５】
ここで、ボイラで発生した蒸気は、重質油熱交換器，混合流体熱交換器で加熱媒体として使用することで、熱交換器の出口では蒸気の一部が凝縮した湿り蒸気となる。この湿り蒸気をシンプルサイクルに適用する場合、ボイラに水を再循環させる水ポンプの健全性を確保するために、復水器にて湿り蒸気を凝縮させ、全量を水にする必要があった。そのため、復水器の水冷却系統が大規模なシステムになるとともに、復水器からの潜熱を使用する設備が無い場合には、湿り蒸気の持つ熱エネルギーを系外に排出してしまい、湿り蒸気の熱エネルギーを効率よく利用できないという課題があった。
【０００６】
そこで本発明は、重質油焚きガスタービンの発電システムにおいて、重質油と熱交換後の水を含む湿り蒸気の熱エネルギーを効率よく利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記重質油熱交換器で重質油を加熱した後の湿り蒸気を乾き蒸気と水に分離する気液分離器と、該気液分離器で分離した乾き蒸気が供給される蒸気圧縮機と、該蒸気圧縮機で加圧した乾き蒸気を前記重質油熱交換器に再び供給する系統を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、重質油焚きガスタービンの発電システムにおいて、重質油と熱交換後の水を含む湿り蒸気の熱エネルギーを効率よく利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を適用したシンプルサイクル及びコンバインドサイクルの発電システムについて、以下説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明に係る重質油焚きガスタービンのシンプルサイクル発電システムの実施例について、図１を用いて説明する。シンプルサイクル発電システムとは、廃熱回収ボイラを備えず、ガスタービンのみで発電するシステムをいう。
【００１１】
本実施例の発電システムには、ガスタービン３０，蒸気を加熱源とする重質油熱交換器４，重質油と水とを改質反応させるための改質器１４，重質油熱交換器４にて重質油を加熱した後の湿り蒸気２２の湿分を分離するための気液分離器２３，気液分離器で分離した乾き蒸気２５を重質油熱交換器４などの熱交換器に再循環させる蒸気圧縮機２０，気液分離器２３で分離した乾き蒸気２５とは別の系統から蒸気を供給する蒸気ドラム４１が備えられる。
【００１２】
重質油３は重質油タンク１から重質油高圧ポンプ２により、重質油熱交換器４を経て混合器１１に供給される。一方、改質反応に用いる水９は、水タンク５から給水ポンプ６，水循環ポンプ７，水高圧ポンプ８の順に加圧されるとともに、ボイラ１０に設けられた伝熱管で加熱され、混合器１１に供給される。混合器１１に供給される重質油３と水９は混合流体となって混合流体熱交換器１３に供給される。混合流体は、混合流体熱交換器１３を経て改質反応に良好な５−３０ＭＰａ，３５０〜５５０℃の条件に維持された改質器１４に供給される。改質器１４には、改質器内部の混合流体を所望の温度に維持するために改質熱交換器４２が設けられている。この改質熱交換器４２は、加熱用蒸気により混合流体を加熱する。改質器１４内では重質油の一部が水との改質反応により軽質化した改質燃料になると共に、残りの重質油はバナジウムの重金属を多く含む残渣油となる。改質燃料１５は減圧弁１６を経てガスタービン３０の運転に良好な圧力まで減圧され、燃焼器３２に燃料１７として供給される。燃焼器３２に供給された燃料１７は空気圧縮機３１からの空気を用いて燃焼させて、燃焼ガスによりタービン４０を駆動する。そして、タービン４０及び空気圧縮機３１の回転軸に連結された発電機３３で発電させる。
【００１３】
なお、本実施例では減圧後の改質燃料を直接ガスタービンの燃焼器３２に供給している。但し、改質燃料を冷却した後に、液体の改質油はポンプへ、ガス状の改質油はガス圧縮機等へ供給した後に、それぞれガスタービンの燃焼器へ供給することも可能である。
【００１４】
タービン４０から排出された排熱ガス３４は、ボイラ１０に供給される。ガスタービンの排熱ガスは、一般に４５０℃以上の高温であり、ボイラ１０にて蒸気を発生させることができる。ボイラ１０には伝熱管が設けられており、排熱ガス３４は伝熱管内を流れる水や蒸気と熱交換した後に系外へ排出される。また、ボイラ１０の伝熱管は複数系統に分かれており、本実施例では、排熱ガス３４が流れる上流側から順に伝熱管４３，４４，４５，４６とする。なお、伝熱管の配置は、タービン４０から排出された排熱ガス温度、必要とする蒸気温度によって配置関係を適宜変更することもできる。
【００１５】
ボイラ１０の上流側に設けられた伝熱管４３で加熱された蒸気は、重質油熱交換器４と混合流体熱交換器１３及び改質熱交換器４２にそれぞれ分岐して供給される。ガスタービンから排出された排熱ガスによりボイラで発生した蒸気は、重質油，重質油と水との混合流体の加熱に使用する。重質油等の加熱に使用した後には、蒸気の一部が凝縮した湿り蒸気２２となる。湿り蒸気２２は、蒸気と水分が混合した状態の流体である。この湿り蒸気は蒸気タービンの発電に使用可能な程度の熱エネルギーを有している。しかし、本実施例のようにシンプルサイクルにおいて、湿り蒸気をそのままボイラ１０の伝熱管へ供給することは困難である。湿り蒸気を水ポンプに供給すると蒸気の発生・消滅によるエロージョンが促進されるだけでなく、流動不安定が生じて水ポンプが動作不良を起こすため、水ポンプの健全性を確保するためには復水器にて全蒸気を凝縮させる必要があるからである。
【００１６】
ここで、湿り蒸気中の蒸気を凝縮させるために必要な潜熱は、冷却水の顕熱と比較すると大きいため、復水器で必要な冷却水流量も大きくなる。例えば、５ＭＰａでの蒸気の潜熱は２７９４ｋＪ／kgであるのに対し、０.１ＭＰａで２０℃から９５℃にするための顕熱は３１４ｋＪ／kgである。５ＭＰａの飽和蒸気１ｔ／ｈを凝縮させるためには、０.１ＭＰａの冷却水が９ｔ／ｈ必要となる。このように、復水器で必要な冷却水流量が多くなるため、復水器の水冷却系統が大規模なシステムになる。更に、復水器内を流れる蒸気からの潜熱を受けて１００℃程度になった冷却水を用いる設備が無い場合、冷却水が吸収した熱エネルギーを系外に捨てることになる。即ち、重質油や混合流体と熱交換後の水を含む湿り蒸気の熱エネルギーを効率よく利用することができなかった。
【００１７】
そこで、本実施例では、熱交換器（重質油熱交換器４，混合流体熱交換器１３，改質熱交換器４０）で熱交換した後の湿り蒸気２２を気液分離器２３に供給する。気液分離器２３内で分離された乾き蒸気２５は、蒸気ドラム４１で発生した蒸気と合流し、電気モータ２４にて駆動する蒸気圧縮機２０で加圧される。蒸気圧縮機２０から排出された乾き蒸気２５はボイラ１０の伝熱管４３で過熱された後、加熱用蒸気２１として重質油熱交換器４，混合流体熱交換器１３，改質器熱交換器４２に分岐して、それぞれ供給される。
【００１８】
一方、気液分離器２３で分離した水２６は必要に応じて冷却した後に水循環ポンプ７に導かれる。気液分離器２３で分離された水２６は、水タンク５から給水ポンプ６により供給される水とともに、水高圧ポンプ８とボイラ１０内の伝熱管４６に分岐して供給される。水高圧ポンプ８に供給された水は、更に伝熱管４４で加熱された後、混合器１１に供給される。一方、伝熱管４６で加熱されて生成した蒸気は蒸気ドラム４１に流入する。蒸気ドラム４１で分離する水は、ボイラ１０の伝熱管４５で加熱され、蒸気として再び蒸気ドラム４１に循環する。また、蒸気ドラム４１で分離した蒸気は、気液分離器２３から供給された乾き蒸気２５と合流した後、蒸気圧縮機２０に供給される。
【００１９】
本実施例では、ボイラ１０の加熱源はガスタービンの排熱ガス３４を利用する。必要に応じて改質器１４内で発生した残渣油１９を残渣油抜出し弁１８から抜出し、ボイラ１０用の燃料として用いることもできる。
【００２０】
本発明の構成によれば、熱交換後の蒸気と水の混合流体である湿り蒸気を復水器で水に変換する必要が無くなる。そのため、湿り蒸気のうち蒸気が有する熱エネルギーを有効に再利用できるため、システムの熱効率が大幅に向上する。
【実施例２】
【００２１】
本発明の実施例２について、実施例１との共通箇所については省略し、特に相違点を中心に図２を用いて説明する。
【００２２】
本実施例では、ガスタービン３０の駆動力の一部を蒸気圧縮機２０の駆動に使用する。そのため、図２では空気圧縮機３１の回転軸を蒸気圧縮機２０の回転軸と連結させている。蒸気圧縮機２０の駆動源をガスタービン３０から供給することにより、電気モータを用いるよりもシステムの熱力率を向上させることができる。
【００２３】
また本実施例では、重質油３と水９を混合させる混合器１１と改質器１４との間に混合流体熱交換器１３を設置していない。そのため、改質反応に必要な滞留時間を重質油熱交換器４又は改質器１４にて確保している。また改質器１４を蒸気で加熱するのではなく、電気ヒータ２７で加熱している。このように、本実施例では混合流体熱交換器と改質熱交換器を備えていないため、ボイラ１０から熱交換器に供給する蒸気系統を重質油熱交換器４への１系統のみとし、加熱用蒸気の系統を簡素化することが出来る。
【実施例３】
【００２４】
本発明に係る重質油焚きガスタービンを用いたコンバインドサイクル発電システムの実施例について、図３を用いて説明する。
【００２５】
重質油３は重質油タンク１から重質油高圧ポンプ２により、重質油の熱交換器４を経て混合器１１に供給される。一方、改質反応に用いる水９は、水タンク５より給水ポンプ６，水循環ポンプ７，水高圧ポンプ８で加圧され、ボイラ１０にて高温にしてから混合器１１に供給される。混合器１１に供給される重質油３と水９は混合流体となって、改質反応に良好な５−３０ＭＰａ，３５０〜５５０℃の条件に維持された改質器１４に供給される。改質器１４を電気ヒータ２７で加熱することにより、蒸気系統とは独立して改質器１４の温度調整ができるために制御性が向上するとともに、系統が簡素化できる。
【００２６】
改質器１４では重質油の一部が水との改質反応により軽質化した改質燃料になると共に、残りの重質油はバナジウムの重金属を多く含む残渣油となる。改質燃料１５は減圧弁１６を経てガスタービン３０の運転に良好な圧力まで減圧させ、発電用の燃料１７として供給される。
【００２７】
重質油熱交換器４に用いる加熱用蒸気２１は、蒸気圧縮機２０からボイラ１０で過熱した後に供給され、熱交換後の湿り蒸気２２は気液分離器２３に供給される。気液分離器２３内で分離された乾き蒸気２５は、蒸気ドラム４１で発生した蒸気と共に電気モータ２４で駆動する蒸気圧縮機２０に供給され、重質油熱交換器４の加熱用蒸気２１として再循環させる。尚、蒸気圧縮機２０の動力源としては電気モータではなく、ガスタービン３０又は蒸気タービン３５の動力を直接供給されるようにすることも可能である。
【００２８】
蒸気ドラム４１で発生する蒸気の一部は蒸気圧縮機２０に供給する。また、蒸気ドラム４１で発生する蒸気の残りは、ボイラ１０の伝熱管４７にて再加熱して飽和温度より高温の乾き蒸気として蒸気タービン３５に供給している。蒸気タービン３５に必要な蒸気流量は、ガスタービンの排熱ガス３４と改質器１４から残渣油抜出し弁１８で抜出す残渣油１９の流量を調整することで、制御することができる。残渣油１９は燃焼させることができ、ボイラ用の熱源として用いることができる。
【００２９】
蒸気タービン３５に供給された蒸気は発電機３３の駆動源として用いられる。蒸気タービン３５で熱エネルギーを失った蒸気は、気液分離器２３で分離した水２６と合流し、復水器３６に供給される。復水器３６において冷却水３７により蒸気から凝縮した水は水循環ポンプ７に導かれる。復水器３６で凝縮した水は、水タンク５から給水ポンプ６により供給される水とともに、混合器１１と蒸気ドラム４１へ供給する蒸気補給用の水として再循環させる。
【００３０】
本実施例の構成によれば、蒸気タービン３５に供給する蒸気を飽和温度より高温の乾き蒸気とすることが出来るので、コンバインドサイクルのシステム効率を向上させることができる。
【実施例４】
【００３１】
本発明の実施例４について、実施例１との共通箇所については省略し、特に相違点を中心に図４を用いて説明する。
【００３２】
本実施例では、製造した改質燃料１５を直接ガスタービンに供給して燃焼させるのではなく、製造した改質燃料を改質燃料タンク３９に一旦溜めて、配管又はトラックにより、改質燃料を使用できるガスタービン発電設備等に供給する。また、本実施例では重質油の一部をボイラ用燃料ポンプ３８によりボイラ１０へ供給している。但し、実施例１と同じく、改質器１４から残渣油抜出し弁１８により残渣油１９を抜出し、ボイラ１０用の燃料として用いることもできる。
【００３３】
本実施例によれば、ボイラシステムとガスタービンシステムとが独立して運用できる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明により、重質油との熱交換後の湿り蒸気を復水器で冷却水との熱交換により水に戻す必要が無く、湿り蒸気の持つ熱エネルギーを有効に再利用できる。そのため、重質油焚きガスタービンシステムにおける加熱用蒸気の再循環システムとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】重質油焚きガスタービンのシンプルシステムに関する実施例を示す図である。
【図２】重質油焚きガスタービンのシンプルシステムに関する別の実施例を示す図である。
【図３】重質油焚きガスタービンのコンバインドシステムに関する実施例を示す図である。
【図４】重質油焚きガスタービンのシンプルシステムに関する別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  重質油タンク
２  重質油高圧ポンプ
３  重質油
４  重質油熱交換器
５  水タンク
６  給水ポンプ
７  水循環ポンプ
８  水高圧ポンプ
９，２６  水
１０  ボイラ
１１  混合器
１３  混合流体熱交換器
１４  改質器
１５  改質燃料
１６  減圧弁
１７  燃料
１８  残渣油抜出し弁
１９  残渣油
２０  蒸気圧縮機
２１  加熱用蒸気
２２  湿り蒸気
２３  気液分離器
２４  電気モータ
２５  乾き蒸気
２７  電気ヒータ
３０  ガスタービン
３１  空気圧縮機
３２  燃焼器
３３  発電機
３４  排熱ガス
３５  蒸気タービン
３６  復水器
３７  冷却水
３８  ボイラ用燃料ポンプ
３９  改質燃料タンク
【図１】
0004759545.tif 000002
【図２】
0004759545.tif 000003
【図３】
0004759545.tif 000004
【図４】
0004759545.tif 000005