(57)【要約】複合サイクル発電プラントが、蒸気を発生させるためのボイラ（１４）であって、第１の燃料を燃焼して煙道ガスを発生させるための炉を含むボイラ（１４）と、プロセス・ガスを炉（１４）に供給するためのプロセス・ガス・サプライ（７８）と、蒸気を受け取り、蒸気によって駆動されて電力を発生させるための蒸気タービン（３８）と、第２の燃料を燃焼して排気ガスを発生させるための燃焼器（５２）と、燃焼器からの排気ガスを膨張させて電力を発生させるため、および排気ガスをプロセス・ガス・サプライ（７８）に送るためのガス・タービン（４６）と、煙道ガスの一部を再循環させるためのリターン・ライン（８６）と、煙道ガスがリターン・ライン（８６）内で再循環される割合を制御するための第１の制御装置と、新鮮空気をプロセス・ガス・サプライに供給するための供給ライン（８０）と、新鮮空気が供給ライン（８０）によって供給される割合を制御するための第２の制御装置と、燃焼器の様々な動作条件の下でボイラの少なくともほぼ最適な性能を維持するように第１および第２の制御装置を制御するための制御装置とを含む。
2004502065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合サイクル発電プラントを操作する方法であって、
第１の温度で第１の燃料を燃焼させて煙道ガスを発生させるため、および蒸気を発生させるための炉を有するボイラを提供するステップであって、前記ボイラが、蒸気発生および周囲環境への排出物に関して最適な性能を有しており、前記第１の温度が最適な温度を提供しているステップと、
煙道ガス・ダクトを通して周囲環境へ煙道ガスを導くステップと、
第１の質量流量を有するプロセス・ガスを炉に供給するステップであって、前記第１の質量流量が最適な質量流量を提供しているステップと、
前記蒸気によって蒸気タービンを駆動して電力を発生させるステップと、
燃焼器内で第２の燃料を燃焼させて排気ガスを発生させるステップと、
発生した前記排気ガスをガス・タービン内に展開して電力を発生させるステップと、
前記排気ガスを前記ガス・タービンからプロセス・ガス・サプライに送るステップと、
前記煙道ガスの一部を前記煙道ガス・ダクトから前記プロセス・ガス・サプライに再循環させるステップと、
第１の制御装置によって前記煙道ガスの再循環の割合を制御するステップと、
新鮮空気を前記プロセス・ガス・サプライに供給するステップと、
前記新鮮空気供給の割合を第２の制御装置によって制御するステップと、
選択された量の第１の燃料を前記炉に供給するステップと、
選択された量の第２の燃料を前記燃焼器に供給するステップと、
を含み、
前記ボイラは、前記第１および第２の制御装置が前記煙道ガス再循環の割合および前記新鮮空気の供給割合をそれぞれ最小限に抑えており且つ前記排気ガスが単独で、またはプロセス・ガスの主要部として使用される前記燃焼器の第１の動作条件において、最適な性能を有しており、また、燃焼器の前記第１の動作条件以外の条件において、前記ボイラの少なくとも最適な性能に近い性能を得るように前記第１および第２の制御装置を制御するステップをさらに含む複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項２】
第１の動作条件以外の条件で制御する前記ステップが、蒸気の発生を最適化し、周囲環境への排出物を最小限に抑えるように第１および第２の制御装置を制御するステップを含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項３】
高圧ガス化装置内で第３の燃料をガス化して燃料ガスを発生させるステップ、および該燃料ガスを前記第２の燃料として使用するステップをさらに含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項４】
前記ボイラが流動床ボイラである請求項３に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項５】
前記ガス化装置内でチャーを発生させるステップ、および該チャーを前記第１の燃料として使用するステップをさらに含む請求項３および請求項４に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項６】
前記ガス化装置が流動床ガス化装置である請求項３に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項７】
循環流動床原理に従って前記流動床ボイラおよび前記流動床ガス化装置を操作するステップをさらに含む請求項４および請求項６に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項８】
前記第１の動作条件では、前記燃焼器が動作状態にあり、第１の動作条件以外の前記条件では、前記燃料器が動作状態でないことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項９】
前記第１の動作条件では、前記ガス化装置が動作状態にあり、第１の動作条件以外の前記条件では、前記ガス化装置が動作状態でないことを特徴とする請求項３および請求項８に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１０】
前記第１の動作条件では、前記ガス化装置が動作状態にあり、また前記燃料ガスが第２の燃料として使用されており、第１の動作条件以外の前記条件では、前記ガス化装置が動作状態でなく、また別の燃料が第２の燃料として使用されることを特徴とする請求項３に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１１】
第１の動作条件以外の前記条件で、天然ガスを第２の燃料として使用するステップをさらに含む請求項１０に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１２】
前記燃焼器の動作条件を測定するステップと、第１の動作条件以外の前記条件で制御を行う前記ステップで、測定された動作条件に基づいて前記第１および第２の制御装置の制御を行うステップをさらに含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１３】
前記測定ステップが、周囲空気温度、圧力、および湿度の少なくとも１つを測定するステップを含み、第１の動作条件以外の前記条件で制御する前記ステップで、前記測定に基づいて前記第１および第２の制御装置の制御を行うステップをさらに含む請求項１２に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１４】
前記第１の動作条件において、前記プロセス・ガスが第１の質量流量を有しており、第１の動作条件以外の前記条件で制御する前記ステップが、第１の質量流量からの質量流量の変化を低減するように前記第１の制御装置を制御するステップを含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１５】
前記プロセス・ガスの酸素含有量を測定するステップ、および第１の動作条件以外の前記条件で制御する前記ステップにおいて、測定酸素含有量に基づいて第２の制御装置を制御するステップをさらに含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１６】
前記煙道ガス中の残留酸素を測定するステップ、および第１の操作条件以外の前記条件で制御する前記ステップで、事前選択量の残留酸素を得るように前記第２の制御装置を制御するステップをさらに含む請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１７】
蒸気を発生させるためのボイラであって、第１の燃料を燃焼させて煙道ガスを発生させるための炉と、発生した煙道ガスを受け取るためのバックパスと、前記バックパスから周囲環境へ煙道ガスを送るための煙道ガス・ダクトとを備え、排気ガスを単独で、またはボイラに供給されるプロセス・ガスの主要部として使用するときに、蒸気発生および周囲環境への排出物の点で性能を最適化するように配置された幾何形状および伝熱面を有しているボイラと、
プロセス・ガスを前記炉に供給するためのプロセス・ガス・サプライと、
前記蒸気を受け取り、また蒸気によって駆動されて電力を発生させるための蒸気タービンと、
第２の燃料を燃焼させて排気ガスを発生させるための燃焼器と、
前記燃焼器からの排気ガスを展開させて電力を発生させるため、および排気ガスを前記プロセス・ガス・サプライに送るためのガス・タービンと、
煙道ガスの一部を前記煙道ガス・ダクトから前記プロセス・ガス・サプライに再循環させるためのリターン・ラインと、
煙道ガスが前記リターン・ライン内で再循環される割合を制御するための第１の制御装置と、
新鮮空気を前記プロセス・ガス・サプライに供給するための供給ラインと、
新鮮空気が前記供給ラインによって供給される割合を制御するための第２の制御装置と、
前記燃焼器の様々な動作条件の下で前記ボイラの少なくとも最適に近い性能を維持するように前記第１および第２の制御装置を制御するための制御装置と、
を有する複合サイクル発電プラント。
【請求項１８】
前記炉が所定の平均水平断面を有しており、前記ボイラが、所定の蒸気発生能力と、前記バックパス内における第１の伝熱領域とを有しており、前記平均水平断面と前記第１の伝熱領域とが、同じ蒸気発生能力を有する同様のボイラにおける典型的な場合よりも少なくとも約１５％大きいことを特徴とする請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１９】
第３の燃料をガス化して、前記第２の燃料として使用することができる燃料ガスを発生させるための高圧ガス化装置をさらに有する請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２０】
前記ボイラが流動床ボイラである請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２１】
前記ガス化装置が、前記第１の燃料として使用されるチャーも発生することを特徴とする請求項１９および請求項２０に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２２】
前記ガス化装置が流動床ガス化装置である請求項１９に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２３】
前記流動床ボイラおよび前記流動床ガス化装置が、循環流動床原理に従って操作されることを特徴とする請求項２０および請求項２２に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２４】
前記燃焼器の動作条件を測定するための手段と、
測定された動作条件に基づいて前記第１および第２の制御装置を制御するための手段と、をさらに有する請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２５】
前記燃焼器の動作条件を測定するための前記手段が、周囲空気温度、圧力、および湿度の少なくとも１つを測定するための手段を含む請求項２４に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２６】
プロセス・ガスの質量流量を測定するための手段と、
測定されたプロセス・ガスの質量流量に基づいて前記第１の制御装置を制御するための手段と、をさらに有する請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２７】
プロセス・ガスの酸素含有量を測定するための手段と、
測定されたプロセス・ガスの酸素含有量に基づいて前記第２の制御装置を制御するための手段と、をさらに有する請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２８】
煙道ガスの残留酸素含有量を測定するための手段と、
測定された煙道ガスの残留酸素含有量に基づいて前記第２の制御装置を制御するための手段と、をさらに有する請求項１７に記載の複合サイクル発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、第１の燃料を燃焼して蒸気を発生させるための炉を有するボイラと、蒸気によって駆動されて電力を発生させる蒸気発生器と、第２の燃料を燃焼して排気ガスを発生させるための燃焼器であって、排気ガスが、ガス・タービン内で展開されて電力を発生し、またプロセス・ガスとして炉に送られるようになっている燃焼器とを有する複合サイクル発電プラント、およびそのようなプラントを操作する方法に関する。このボイラは特に、低排出で有効な蒸気発生を可能にするように、プロセス・ガスとしてのガス・タービンからの排気ガスの特性を考慮して設計される。本発明は、ガス・タービン燃焼器が使用されない動作モードを含む、ガス・タービン燃焼器の様々な動作条件の下でボイラの高い性能を維持するという問題に取り組んだものである。
【０００２】
複合サイクル発電プラントは、燃料ガスおよび可燃チャー（可燃炭化物）を発生させるためのガス化装置を有していてもよい。チャーは、ボイラの炉内で第１の燃料として使用することができ、燃料ガスは、ガス・タービン燃焼器内で第２の燃料として使用することができる。したがって、プラントは、複数の、例えば２つまたは３つの個別システム、例えば炉を有するボイラや、燃焼器および場合によってはガス化装置を有するガス・タービンを備えることができ、通常はそれら全てが一体型システムとして使用される。ボイラは、好ましくは流動床ボイラであり、しかしサスペンション・ボイラまたは何らかの他のタイプのボイラであってもよい。ガス化装置は、好ましくは加圧流動床ガス化装置であり、しかし何らかの他のタイプのものであってもよい。ガス化装置と燃焼器はどちらも、好ましくは循環流動床（ＣＦＢ）システムとして操作される。
【０００３】
米国特許第３，９８６，３４８号および第４，４７０，２５５号、ならびに英国特許第２，０９５，７６２号は、加圧ガス化装置と、ガス・タービンと、流動床ボイラとが統合され、それによりガス化装置内で発生する燃料ガスが、ガス・タービンの燃焼器内で燃焼され、ガス・タービンからの排気ガスが流動床ボイラに導かれてプロセス・ガスとして働き、ガス化装置内で発生したチャーが流動床ボイラの炉内で燃焼される複合サイクル発電プラントを開示している。これらのタイプのプラントでは、ガス化装置の生成ガス中の粒子は、ガスがガス・タービンに送られる前に除去されなければならないが、ガス排出物のほとんどが、ＣＦＢボイラの炉で、または炉の下流で除去されることができるので、コスト効果の高いシステムの製造および動作を可能にしている。
【０００４】
排出レベルを低く保つためには、プロセス・ガス中の酸素量を、燃料供給率に密接に関連させなければならない。燃焼ガスとして空気を使用する場合に比べて、ガス・タービン排気ガスは希薄であり、典型的には約１０〜約１５体積％の酸素を含み、さらに高温であり、約５００〜約６００℃の典型的な温度を有する。したがって、燃焼ガスとしてガス・タービン排気ガスを使用するとき、燃焼ガスの流量は大きく、ボイラを設計するときにはこれを考慮しなければならない。一般的には炉の断面積を大きくしなければならず、プロセス・ガスを供給するための手段、例えば流動床ボイラのグリッドは、大きなガス流量を可能にしなければならず、通常よりも大きい伝熱面を、ボイラのバックパス内に配置しなければならない。
【０００５】
この種のシステムでは、排気ガスの量および質が、ガス・タービン燃焼器の動作条件に強く依存する場合がある。したがって、特別な対策を行わなければ、ボイラの性能が、ガス・タービン燃焼器の様々な動作条件の下で変わる可能性があり、システムの効率および周囲環境に放出される排出物が、いくつかの条件下では、最適には程遠い場合がある。
【０００６】
例えば、定期管理のためにガス化装置を停止させるとき、様々な動作モードでシステムを稼動させることが必要な場合がある。このとき、ガス・タービン排気ガスを利用可能にすることなく、例えばボイラ・システムのみによって電力を発生させるべきである。そのような動作条件の下で新鮮な空気がボイラ内のプロセス・ガスとして使用される場合、最適な性能または受入可能な性能でさえも達成するのが不可能である場合がある。最適なプロセス・ガスの流れを使用することによって、良好な床温度を達成することができるが、他方、多くの過剰空気が発生し、これが低いボイラ効率と高いＮＯＸ排出とをもたらす。別の代替形態は、低過剰空気を使用するものであるが、これは、非常に高い床温度および非常に高いＳＯ２排出をもたらす。
【０００７】
（発明の概要）
本発明の目的は、ガス・タービン燃焼器とボイラとを含む複合サイクル発電プラントであって、（ｉ）燃焼器の様々な動作条件の下で、または（ｉｉ）燃焼器が使用されない動作条件の下で、高効率や低排出などの高性能を提供することが可能な複合サイクル発電プラントを提供することである。また、本発明の目的は、そのような発電プラントを使用する方法も提供することである。
【０００８】
本発明のこれらおよびその他の目的を達成するために、独立請求項に記載された複合サイクル発電プラント、およびそのような発電プラントを使用する方法が提供される。
【０００９】
一つの観点によれば、本発明は、複合サイクル発電プラントを操作する方法であって、
第１の温度で第１の燃料を燃焼して煙道ガスを発生させるため、および蒸気を発生させるための炉を有するボイラを提供するステップであって、ボイラが、蒸気発生および周囲環境への排出の点で最適な性能を有しており、第１の温度が最適な温度を提供するようになっているステップと、
煙道ガス・ダクトを通して周囲環境へ煙道ガスを導くステップと、
第１の質量流量でプロセス・ガスを炉に供給するステップであって、第１の質量流量が最適な質量流量を提供するようになっているステップと、
蒸気によって蒸気タービンを駆動して電力を発生させるステップと、
燃焼器内で第２の燃料を燃焼させて排気ガスを発生させるステップと、
発生した排気ガスをガス・タービン内で膨張させて電力を発生させるステップと、
排気ガスをガス・タービンからプロセス・ガス・サプライに送るステップと、
煙道ガスの一部を煙道ガス・ダクトからプロセス・ガス・サプライに再循環させるステップと、
第１の制御装置によって煙道ガスの再循環の割合を制御するステップと、
新鮮空気をプロセス・ガス・サプライに供給するステップと、
新鮮空気供給の割合を第２の制御装置によって制御するステップと、
選択された量の第１の燃料を炉に供給するステップと、
選択された量の第２の燃料を燃焼器に供給するステップと、を含んでおり、
ボイラは、第１および第２の制御装置がそれぞれ煙道ガス再循環および新鮮空気の供給の割合を最小限に抑え且つ排気ガスが単独で、またはプロセス・ガスの主要部として使用される燃焼器の第１の動作条件において、最適な性能を有するようになされており、また、
燃焼器の第１の動作条件以外の条件で、ボイラの少なくともほぼ最適な性能を得るように第１および第２の制御装置を制御するステップを含んでいる操作方法を提供する。
【００１０】
別の観点によれば、本発明は、
蒸気を発生させるためのボイラであって、第１の燃料を燃焼して煙道ガスを発生させるための炉と、発生した煙道ガスを受け取るためのバックパスと、バックパスから周囲環境へ煙道ガスを送るための煙道ガス・ダクトとを含むボイラと、
プロセス・ガスを炉に供給するためのプロセス・ガス・サプライと、
蒸気を受け取り、蒸気によって駆動されて電力を発生させるための蒸気タービンと、
第２の燃料を燃焼して排気ガスを発生させるための燃焼器と、
燃焼器からの排気ガスを膨張させて電力を発生させるため、および排気ガスをプロセス・ガス・サプライに送るためのガス・タービンと、
煙道ガスの一部を煙道ガス・ダクトからプロセス・ガス・サプライに再循環させるためのリターン・ラインと、
煙道ガスがリターン・ライン内で再循環される割合を制御するための第１の制御装置と、
新鮮空気をプロセス・ガス・サプライに供給するための供給ラインと、
新鮮空気が供給ラインによって供給される割合を制御するための第２の制御装置と、
燃焼器の様々な動作条件の下でボイラの少なくともほぼ最適な性能を維持するように第１および第２の制御装置を制御するための制御装置とを備える複合サイクル発電プラントを提供する。ボイラは、排気ガスを単独で使用するか、あるいはボイラに供給されるプロセス・ガスの主要部として使用するときに蒸気発生および周囲環境への排出の点で性能を最適化するように配置された幾何形状および伝熱面を有する。
【００１１】
第１の動作条件が、システムを設計するときの基礎として用いられるシステムの通常の動作条件に対応するものであることが上で仮定されている。この条件では、非混合ガス・タービン排気ガス、または通常は最大約１０体積％の少量の空気および再循環煙道ガスと混合された排気ガスが、ボイラの炉内でプロセス・ガスとして使用される。排気ガスの典型的な流量および酸素含有量は、ボイラの幾何形状およびボイラ内部の伝熱面の位置を設計するときに考慮される。排気ガスの特性は、ガス・タービン燃焼器の様々な動作条件の下で変化する可能性があるので、本発明の主要な目標は、ガス・タービン燃焼器の様々な動作条件の下でボイラ内に供給されるプロセス・ガスの特性の変化を補償する方法およびシステムを提供することである。本発明の好ましい実施形態によれば、この目標は、ボイラのより低い部分への新鮮空気の供給、および煙道ガス・ダクトからボイラのより低い部分への煙道ガスの再循環を制御することによって達成され、それにより燃焼器の様々な動作条件の下で、蒸気発生および周囲環境への排出の点で最適なボイラ性能が得られる。
【００１２】
通常、流動床燃焼器の流動ガスおよびプロセス・ガスとして空気が使用される。燃焼器内に導入される空気の量は、燃焼に必要な酸素の量に基づいて決定される。しかし、米国特許第４３５５６０１号および４４４１４３５号は、ボイラ内に導入される燃料のボイラ負荷または特性が変化するときに、流動ガスをある量の再循環煙道ガスと混合して、例えば煙道ガス内の床温度または残留Ｏ２を制御することを開示している。この公知の煙道ガス再循環形態とは上述の本発明の実施形態とはある点で異なっており、それは、この場合には、プロセス・ガスの制御を必要とする理由が、プロセス・ガスがボイラに直接作用するからではなく、主として発電プラントのガス・タービン燃焼器に作用し、ボイラに対してはガス・タービン排気ガスを介してのみ作用するということにある。より具体的には、本発明のボイラは、プロセス・ガスとして希薄排気ガスを用いて使用されるように設計されており、新鮮空気の供給および煙道ガスの再循環が行われて、様々な条件の下で、プロセス・ガスの特性を最適に維持する。
【００１３】
本発明を使用する一例は、様々な周囲空気温度でプロセス・ガスの質量流量を調整するものである。ガス・タービン・システムでは通常、入口空気の体積流量が、様々な条件の下でほぼ一定である。これは、そのようなシステムの排気ガスの質量流量および酸素量が、高い周囲温度で、より低い温度の場合よりも明らかに低くなる場合があることを意味する。本発明によれば、適切な量の新鮮空気および再循環煙道ガスを提供することによって、減少する排気ガスを補償することができる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、発電プラントはまた、第３の燃料をガス化して、第２の燃料として使用することができる燃料ガスを発生させるための高圧ガス化装置を備えることができる。ガス化装置は、好ましくは、空気を用いて流動化される流動床ガス化装置である。ガス化プロセスの可燃残留物であるチャーが流動床ボイラに燃料供給するために使用されるときに、効率の良い発電サイクルが提供される。
【００１５】
ガス・タービン燃焼器の動作条件の変化は、動作環境の漸進的な変化であっても、動作条件のより急激な変化であってもよい。燃焼器の動作に影響を及ぼす条件、例えば周囲空気温度、圧力、および／または湿度を測定することができ、第１および第２の制御装置の制御を、測定された条件に基づかせることができる。
【００１６】
例えば、ガス・タービン燃焼器で使用される燃料が別のものに変更されるとき、または全プラントが別の動作モードに切り換えられるとき、動作条件の突然の変化が生じる。生じ得る最大の変化は、ガス・タービン燃焼器が動作状態であるモードから、ガス・タービン燃焼器が使用されない別のモードへの変化である。そのような変化の後、プロセス・ガス全体を、新鮮空気および再循環煙道ガスから発生させなければならない。したがって、本発明によれば、新鮮空気の供給および煙道ガスの再循環は、元のプロセス・ガスの特性をシミュレートするように制御される。しかし、プロセス・ガスとしてガス・タービン排気ガスではなく再循環煙道ガスと新鮮ガスとの混合物を使用するとき、プロセス・ガスの温度は、元の温度よりも摂氏数百度低い。蒸気発生量を変わらないようにする必要がある場合、炉への燃料供給率を増大しなければならず、酸素の必要量がそれに応じて変化する。
【００１７】
複合サイクル発電プラントがガス化装置を備える場合、ガス・タービン燃焼器への燃料を発生させるためのガス化装置の使用を含むモードから、ガス化装置を使用せず、その代わりに例えば天然ガスを使用してガス・タービン燃焼器に燃料供給する別のモードへ動作モードを変えることができる。この場合、プロセス・ガスの変化は、必ずしも非常に大きくはならない。それでもやはり、本発明によれば、プロセス・ガスの特性の変化を低減することができる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、プロセス・ガスの特性および／またはボイラの性能が測定され、プロセス・ガスの成分の流量が、少なくとも１つのこれらの測定に基づいて制御される。一例として、煙道ガスの酸素含有量、またはプロセス・ガスの酸素含有量および流量を測定することができ、制御の基礎として使用することができる。
【００１９】
ボイラを制御する際の実際の目標は、蒸気発生および周囲環境への排出の点でボイラの最適な性能を達成することである。ボイラ性能に影響を及ぼす主要な因子は、燃焼温度である。したがって、ボイラの温度、例えば炉の下側部分の温度を測定し、第１および第２の制御装置を制御するための基礎として測定温度を使用することができる。したがって、プロセス・ガス制御の初期調節の基礎として、周囲環境に放出される排出物の測定を使用することができる。また、発生した蒸気の圧力、流れ、および／または温度を使用して、新鮮空気および再循環煙道ガスの流量を制御することができる。
【００２０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図面を参照すると、参照番号１０によって一般に示された複合サイクル発電プラントが、本発明の好ましい実施形態を備える。発電プラント１０は、可燃材料と、不燃材料と、プロセス・ガスとが供給される炉１４を有する循環流動床（「ＣＦＢ」）ボイラ１２を含む。図面中の矢印１６が、好ましくは石炭または同様の固体燃料である可燃材料が導入される好ましい位置を示す。炉１４内で、適切な量の床材料およびプロセス・ガスの流れを有することによって床が流動状態で維持される。炉１４は、炉１４の下側部分にプロセス・ガスを供給するための入口１８を備える。
【００２１】
流動床ボイラ１２は、典型的には約８５０〜約９００℃の温度で燃料材料を燃焼し、高温排気ガス出力を発生させる。高温煙道ガスが、炉１４から高温サイクロン分離器２０に導かれる。分離器２０で、固体粒子が煙道ガスから分離されて、リターン・ダクト２２を介して炉１４の下側部分に戻される。炉に戻す前に、固体粒子を流動床クーラなどに通すこともできる。
【００２２】
高温サイクロン分離器２０からの煙道ガスは、ダクト２４を通ってバックパス２６に流れる。蒸気を発生させるための熱交換器２８がバックパス２６内に概略的に示されている。実際、ボイラ１２は蒸気発生システムを備え、このシステムは、少なくともエコノマイザと、蒸発面および過熱面とを含み、これらは、ボイラ１２の様々な部分にいくつかの一般的に知られている方法で配置することができる。バックパス２６から、煙道ガスは、煙道ガス・ライン３０に沿ってダスト分離器３２に送られ、さらにスタック３４を介して、通常は約１５０℃の温度で環境に流される。煙道ガス・ライン３０は、煙道ガスからガス状汚染物質を低減するための手段を備えることもでき、しかしこれは図面に示していない。
【００２３】
ボイラ１２内で発生した蒸気は、供給ライン３６を通して、発電機４０に接続された蒸気タービン３８に送られる。リターン・ライン４２は、蒸気タービン３８からボイラ１２に水を導く。リターン・ライン４２は、一般に知られているように、少なくとも１つの凝縮器、給水ポンプ、および給水ヒータを含み、しかし図面には示していない。
【００２４】
第２の発電機４４がガス・タービン４６に接続され、それにより複合サイクル発電プラント１０の第２のサイクルを提供する。ガス・タービン４６は、空気圧縮機４８によって提供される圧縮空気によって操作され、空気圧縮機４８は、ガス・タービン４６に動作可能に接続され、ガス・タービン４６によって駆動される。空気圧縮機４８は、空気入口ライン５０から周囲空気を受け取る。
【００２５】
圧縮空気は、ガス・タービン燃焼器５２に伝達され、そこで通常は可燃ガスが燃焼される。可燃ガスは、天然ガス源５４から天然ガス入口ライン５６に沿って提供することができる。いくつかの場合には、ガス・タービン燃焼器５２を、軽油や重油など他の燃料を利用するために設計することができる。
【００２６】
可燃ガスは、ガス化装置５８から提供することもできる。ガス化装置５８を使用して、燃料入口ライン６０を用いてガス化装置に導入された石炭または重油残留物などの燃料をガス化する。ガス化装置５８は、生成ガス、すなわち合成ガスの出力を発生させ、このガスが、合成ガス入口ライン６２に沿ってガス・タービン燃焼器５２に提供される。合成ガス入口ライン６２は、好ましくは、ダスト分離器６４、典型的には高温ガス・フィルタを備えて、ガス・タービン４６に害を与える可能性がある全ての粒子を合成ガスから除去する。
【００２７】
ガス化装置５８は、好ましくは循環流動床タイプのものであり、燃料および不活性床材料の床を流動化するための手段と、発生した合成ガスから噴流床材料を分離するための分離器６６とを含む。ガス化装置は、好ましくは圧力容器６８内に配置されて、高圧で操作される。ガス化装置は、圧縮機４８、または図面に示されていない個別圧縮機によって加圧することができる。
【００２８】
複合サイクル発電プラント１０はまた、相当量の可燃固体残留物、例えばチャー（炭化物）を発生させるガス化装置５８を備えて効率的に動作する。ガス化装置５８からのチャーと、ダスト分離器６４からのダストとを、それぞれ入口ライン７０および７２を介して流動床ボイラ１２に導くことができる。ガス化装置５８からのチャーと、ダスト分離器６４からのダストは高圧であるので、これらはまずロック・ホッパなどの圧力解放手段７４内に収集され、そこから入口ライン７６を介して炉１４に送られる。
【００２９】
ガス・タービン４６からの出力は、排気ライン７８を介して入口ライン１８に提供されて、プロセス・ガスを炉１４に提供する。したがって、ガス・タービン燃焼器５２は、ＣＦＢボイラ１２用のプロセス・ガス源として使用され、これは、ガス・タービン・サイクルでの排出削減努力の必要性を減らす。ガス・タービン排気ガスはＣＦＢボイラ１２を通って進むので、排出削減は、ＣＦＢで考慮することができる。
【００３０】
制御装置８２（典型的には制御手段８４を有するファン）によって制御された割合で周囲空気を提供するための入口ライン８０も、入口ライン１８に接続されて、プロセス・ガスを炉１４に提供する。制御装置８８（典型的には制御手段９０を有するファン）によって制御された割合で煙道ガス・ダクト３０から再循環される煙道ガスを提供するためのリターン・ライン８６も、プロセス・ガス入口１８に接続される。
【００３１】
通常の動作条件の下で複合サイクル発電プラント１０が操作され、それによりガス・タービン４６から排気ガス・ライン７８を通った排気ガスが、炉１４用のプロセス・ガスとして、混合されずに、あるいは少量の、典型的には最大１０体積％の入口ライン８０を通る周囲空気およびリターン・ライン８６を通る再循環煙道ガスと混合されて使用される。このガスは希薄であり高温であり、通常は約６００℃の温度で酸素を約１２体積％含むので、ボイラ１２は、この種のプロセス・ガスを使用するときに高性能で機能するように設計される。必要な大きなプロセス・ガス流量により、炉の平均断面積は、プロセス・ガスとして空気を使用して同じ蒸気発生能力を有する同様の従来ボイラの場合よりも、通常少なくとも１５％大きく、好ましくは約２５％大きい。炉１４の下流でプロセス・ガスを冷却するために、バックパス２０内の熱交換面積は、それに対応じて、同様の従来ボイラの場合よりも少なくとも１５％大きく、好ましくは約２５％大きい。
【００３２】
ガス・タービン燃焼器５２の動作条件が変化すると、排気ガス・ライン７８内の排気ガスの量および質が変化する場合がある。このとき、本発明によれば、制御装置８４および／または９０を使用して、プロセス・ガス特性の質量流量および酸素含有量を回復することができる。全てのボイラの場合と同様に、プロセス・ガスおよび酸素の実際に必要な流量は、ボイラ１２の負荷に依存する。しかし、本発明は、全ての負荷条件の下で、ガス・タービン燃焼器５２の様々な動作条件の下でさえ、ボイラ１２の高性能を維持することができる能力を提供する。
【００３３】
流量制御装置８２および８８の制御は、それぞれセンサ９２および９４によって測定される炉１４の温度または煙道ガスの酸素含有量に基づかせることができる。また、測定デバイス９６によってライン７８内の排気ガスの流量、酸素含有量、および温度を測定し、または、ガス・タービン・システムの動作条件に基づいてこれらのいくつかを計算し、得られた排気ガス特性を使用して、流量制御装置８２および８８を制御することができる。さらなる可能性は、同じ目的のために、センサ９８によって測定された発生蒸気の特性、温度、流量、および／または圧力を使用することである。さらに、例えばセンサ１００によって排気ガスのＳＯ２レベルおよびＮＯＸレベルなどを測定することができ、プロセス・ガス入口１８に入力されるガスの初期調節のためにこれらを使用することができる。
【００３４】
上述した制御の概念は、ガス・タービン燃焼器５２の動作条件が徐々に変化することによる連続調節の必要性に関係する。しかし、複合サイクル発電プラント１０では、突然の変化が生じる可能性もあり、これは、本発明によって補償することができる。一例として、ガス化装置５８に導入される燃料を別のものに変更することができ、これにより排気ガスの特性が変わる。このタイプの変更では、入口ライン８０を通る新鮮空気およびリターン・ライン８６を通る煙道ガスの流量を変えることによって、プロセス・ガスの特性を、少なくともかなりの程度まで回復することができる。
【００３５】
別の可能性は、何らかの理由により、ガス化装置５８を使用せず、天然ガスまたは何らかの他の燃料を用いて動作するように燃焼器５２を切り換えることである。これは、プロセス・ガスの特性をある程度変え、最適ではないボイラ性能をもたらす可能性がある。しかし、本発明は、システムがガス化装置を有さずに使用されるときも高効率および低排出でボイラを動作することができる能力を提供する。
【００３６】
動作モードの最大の変化は、何らかの理由によりガス・タービン４６が使用されないときである。このとき、利用可能なガス・タービン排気ガスが存在せず、ボイラ１２の高性能動作を維持するために、流量制御装置８２および８８を使用して、ガス・タービン排気ガスをシミュレートすることができる。しかしながら、ボイラ１２のスタンドアローン・モードにおいて、より低いプロセス・ガス温度を補償するために燃料供給率が増大されると、プロセス・ガスの酸素含有量をそれに従って調節することができる。
【００３７】
新規の複合サイクル発電システム、およびそのようなシステムを操作する方法を上述してきた。本発明を、特定の実施形態に関して例示してきたが、多数の変更および修正をそこに加えることができることを理解されたい。したがって、本発明は、頭書の特許請求の範囲内に含まれる様々な修正形態および等価構成を網羅するように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された複合サイクル発電プラントの概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年4月9日(2002.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合サイクル発電プラントを操作する方法であって、
炉を有するボイラ内で第１の燃料を燃焼させて煙道ガスを発生させ、また蒸気を発生させるステップと、
煙道ガス・ダクトを通して周囲環境へ煙道ガスを導くステップと、
プロセス・ガスを、プロセス・ガス入口を通して炉に供給するステップと、
前記蒸気によって蒸気タービンを駆動して電力を発生させるステップと、
燃焼器内で第２の燃料を燃焼させて排気ガスを発生させるステップと、
発生した前記排気ガスをガス・タービン内で展開させて電力を発生させるステップと、
前記排気ガスを前記ガス・タービンからプロセス・ガス入口に送るステップと、
前記煙道ガスの一部を前記煙道ガス・ダクトから前記プロセス・ガス入口に再循環させるステップと、
第１の制御装置によって前記煙道ガスの再循環の割合を制御するステップと、
新鮮空気を前記プロセス・ガス入口に供給するステップと、
新鮮空気を供給する割合を第２の制御装置によって制御するステップと、を含む複合サイクル発電プラントの操作方法において、
前記ボイラは、前記第１および第２の制御装置が前記煙道ガス再循環の割合および前記新鮮空気の供給割合をそれぞれ最小限に抑えており且つ前記排気ガスが単独で、あるいはプロセス・ガスの主要部として使用される前記燃焼器の第１の動作条件において、効果的な蒸気の発生および低排出をもたらすように設計されており、さらに
前記燃焼器の動作条件を測定するステップと、
前記燃焼器の第１の動作条件以外の条件において、前記第１の運転条件における効果的な蒸気の発生および低排出に少なくとも近いものが得られるように前記第１および第２の制御装置を制御するステップと、
前記第１の動作条件以外の条件における制御ステップにおいて、前記第１および第２の制御装置を、前記測定した動作条件に基づかせるステップと、を含むことを特徴とする複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項２】
高圧ガス化装置内で第３の燃料をガス化して燃料ガスを発生させるステップ、および該燃料ガスを前記第２の燃料として使用するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項３】
前記ボイラが流動床ボイラであることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項４】
前記ガス化装置内でチャーを発生させるステップ、および該チャーを前記第１の燃料として使用するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項５】
前記ガス化装置が流動床ガス化装置であることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項６】
前記ボイラが循環流動床ボイラであり、前記ガス化装置が循環流動床ガス化装置であることを特徴とする請求項５に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項７】
前記第１の動作条件では、前記燃焼器が動作状態にあり、前記第１の動作条件以外の条件では、前記燃料器が動作状態でないことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項８】
前記第１の動作条件では、前記ガス化装置および前記燃焼器が動作状態にあり、前記第１の動作条件以外の条件では、前記ガス化装置および前記燃焼器が動作状態でないことを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項９】
前記第１の動作条件では、前記ガス化装置が動作状態にあり、また前記燃料ガスが前記第２の燃料として使用されており、前記第１の動作条件以外の前記条件では、前記ガス化装置が動作状態でなく、また別の燃料が前記第２の燃料として使用されることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１０】
前記第１の動作条件以外の条件では、天然ガスを前記第２の燃料として使用するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１１】
前記測定ステップが、周囲空気温度、圧力、および湿度の少なくとも１つを測定するステップと、前記第１の動作条件以外の条件において、前記第１および第２の制御装置の制御を該測定に基づかせるステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１２】
前記第１の動作条件において、前記プロセス・ガスが第１の質量流量を有しており、前記第１の動作条件以外の条件における前記制御ステップが、前記第１の質量流量からの質量流量の変化を低減するように前記第１の制御装置を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１３】
前記プロセス・ガスの酸素含有量を測定するステップと、前記第１の動作条件以外の条件における前記制御ステップにおいて、前記測定酸素含有量に基づいて第２の制御装置を制御するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１４】
前記煙道ガス中の残留酸素を測定するステップと、前記第１の操作条件以外の条件における前記制御ステップにおいて、事前選択量の残留酸素を得るように前記第２の制御装置を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電プラントの操作方法。
【請求項１５】
蒸気を発生させるためのボイラであって、第１の燃料を燃焼させて煙道ガスを発生させるための炉と、発生した煙道ガスを受け取るためのバックパスと、前記バックパスから周囲環境へ煙道ガスを送るための煙道ガス・ダクトとを備えたボイラと、
プロセス・ガスを前記炉に供給するためのプロセス・ガス入口と、
前記蒸気を受け取り、また蒸気によって駆動されて電力を発生させるための蒸気タービンと、
第２の燃料を燃焼させて排気ガスを発生させるための燃焼器と、
前記燃焼器からの排気ガスを展開させて電力を発生させるため、および排気ガスを前記プロセス・ガス入口に送るためのガス・タービンと、
前記煙道ガスの一部を前記煙道ガス・ダクトから前記プロセス・ガス入口に再循環させるためのリターン・ラインと、
前記煙道ガスが前記リターン・ライン内で再循環される割合を制御するための第１の制御装置と、
新鮮空気を前記プロセス・ガス入口に供給するためのサプライと、
新鮮空気が前記サプライによって供給される割合を制御するための第２の制御装置と、を有する複合サイクル発電プラントにおいて、
前記ボイラは、排気ガスを単独で、あるいは前記ボイラに供給されるプロセス・ガスの主要部として使用する前記燃焼器の第１の動作条件において、効果的な蒸気の発生および低排出をもたらすように配置された幾何形状および伝熱面を有するように設計されており、さらに、
前記燃焼器の動作条件を測定する手段と、
前記燃焼器の第１の動作条件以外の条件において、効果的な蒸気の発生および周囲環境への低排出に少なくとも近いものが得られるように、前記測定動作条件に基づいて前記第１および第２の制御装置を制御する手段と、を有することを特徴とする複合サイクル発電プラント。
【請求項１６】
第３の燃料をガス化して、前記第２の燃料として使用することのできる燃料ガスを発生させるための高圧ガス化装置を有することを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１７】
前記ボイラが流動床ボイラであることを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１８】
前記ボイラが流動床ボイラであり、前記ガス化装置が、前記第１の燃料として使用されるチャーも発生することを特徴とする請求項１６に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１９】
前記ガス化装置が流動床ガス化装置であることを特徴とする請求項１６に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２０】
前記ボイラが循環流動床ボイラであり、前記流動床ガス化装置が循環流動床ガス化装置であることを特徴とする請求項１９に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２１】
前記燃焼器の動作条件を測定するための手段が、周囲空気温度、圧力、および湿度の少なくとも１つを測定するための手段を含むことを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２２】
前記プロセス・ガスの質量流量を測定するための手段と、
測定されたプロセス・ガスの質量流量に基づいて前記第１の制御装置を制御するための手段と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２３】
前記プロセス・ガスの酸素含有量を測定するための手段と、
測定されたプロセス・ガスの酸素含有量に基づいて前記第２の制御装置を制御するための手段と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項２４】
前記煙道ガスの残留酸素含有量を測定するための手段と、
測定された煙道ガスの残留酸素含有量に基づいて前記第２の制御装置を制御するための手段と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の複合サイクル発電プラント。
【国際調査報告】
2004502065.tif 000027
2004502065.tif 000028