(57)【要約】【課題】  低カロリガスを、そのカロリの急上昇を押さえて安定したガスタービン用燃料として供給することができる低カロリガス供給設備を提供すること。【解決手段】  低カロリガスをガスタービン２に供給する低カロリガス供給配管３と、低カロリガス供給配管３に水蒸気を供給する水蒸気供給配管４と、低カロリガス供給配管３と水蒸気供給配管４との接続部に配設された混合器６と、低カロリガス供給配管３に配設された、ガス中の発熱量を検出するカロリメータ１１と、制御装置１００とを備えており、制御装置１００が、カロリメータ１１の検出値が基準値を超えているときに水蒸気供給配管４から水蒸気を供給して、低カロリガスのカロリ上昇を抑制するように制御している。【選択図】  図１
2007170245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低カロリガスを燃料ガスとしてガスタービンに供給するための低カロリガス供給通路と、
該低カロリガス供給通路に接続された、希釈用の水蒸気を低カロリガス供給通路に供給するための水蒸気供給通路と、
上記低カロリガス供給通路に配設された、ガス中の発熱量を検出するための発熱量検出装置と、
該発熱量検出装置の検出結果に基づいて水蒸気供給通路による水蒸気供給動作を制御しうる制御装置とを備えてなる低カロリガス供給設備。
【請求項２】
上記制御装置が、ガスタービンの燃料ガスの最大許容カロリ値を設定しており、低カロリガスのカロリ値を該最大許容カロリ設定値以下に維持するように、水蒸気供給通路から水蒸気を供給するように構成されてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項３】
上記低カロリガス供給通路におけるガスタービンの燃焼器に至るまでに、燃料圧縮機および冷却器が設置されており、
燃料圧縮機と冷却器との間に、低カロリガスと水蒸気とを混合するための混合器が設置されており、該混合器に水蒸気供給配管が接続されてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項４】
上記低カロリガス供給通路に、低カロリガスを一時的に貯留する第一タンクが配設されており、
該第一タンクが入口と出口とを有しており、入口には低カロリガス供給通路の上流側が接続されており、出口には低カロリガス供給通路の下流側が接続されてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項５】
上記低カロリガス供給通路に、低カロリガスを一時的に貯留する第二タンクが配設されており、
低カロリガス供給通路と上記第二タンクとの間に、低カロリガスを低カロリガス供給通路から第二タンクに送り込むガス入口通路と、低カロリガスを第二タンクから低カロリガス供給通路へ戻す出口通路とが配設されており、
上記入口通路に低カロリガスを第二タンクに向けて圧送する第一ガス圧送装置が配設されてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項６】
上記低カロリガス供給通路に、供給する低カロリガスの一部を該低カロリガス供給通路の上流側へ戻す戻し通路が配設されており、該戻し通路に、低カロリガスを低カロリガス供給通路の上流側に向けて圧送する第二ガス圧送装置が配設されてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項７】
上記水蒸気供給通路に配設された、該通路を遮断および開放しうる水蒸気遮断装置と、該水蒸気遮断装置の上流側に配設された水蒸気放出装置とを備えてなる請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項８】
上記水蒸気が、上記タービンからの排熱を利用したボイラによって発生した水蒸気である請求項１記載の低カロリガス供給設備。
【請求項９】
ガスタービンと、
該ガスタービンに燃料ガスとして低カロリガスを供給するための低カロリガス供給設備とを備えており、
該低カロリガス供給設備が、請求項１〜７のうちのいずれか一の項に記載の低カロリガス供給設備であるガスタービン設備。
【請求項１０】
ガスタービンが複数機設置されており、各ガスタービンに上記低カロリガス供給設備と排熱回収ボイラとが併設されており、
低カロリガス供給設備の上記水蒸気供給通路に導入される水蒸気が、対応するガスタービン以外のガスタービンに併設された排熱回収ボイラによって発生した水蒸気である請求項９記載のガスタービン設備。
【請求項１１】
ガスタービンが複数機設置されており、各ガスタービンに上記低カロリガス供給設備と補助ボイラとが併設されており、
低カロリガス供給設備の上記水蒸気供給通路に導入される水蒸気が、対応するガスタービン以外のガスタービンに併設された排熱回収ボイラによって発生した水蒸気である請求項９記載のガスタービン設備。
【請求項１２】
燃料ガスとしてガスタービンに供給する低カロリガスの発熱量を計測するカロリ計測ステップと、
この計測結果が設定許容カロリ値を超えないように、希釈用の水蒸気を上記低カロリガスに混入する水蒸気混入ステップとを含んでなるガスタービン燃料用低カロリガスのカロリ上昇抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン設備、低カロリガス供給設備および当該ガスのカロリ上昇抑制方法に関する。さらに詳しくは、低カロリガスをガスタービンの燃料として使用し得る状態でガスタービンに供給する低カロリガス供給設備、この低カロリガス供給設備を備えたガスタービン設備、および、このガスタービン燃料用低カロリガスの発熱量の上昇を抑制する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄分野において、たとえば高炉法で銑鉄を生産する場合、高炉から炉頂ガス（Blast Furnace Gas であり、以下ＢＦＧと記す）が副生ガスとして発生する。ＢＦＧの総発熱量は使用したコークスの発熱量の約半分にも達するので、製銑原価低減のためにＢＦＧは製鉄所内において多方面に利用されている。ＢＦＧは投入コークス１トン当たり３０００Ｎｍ3 発生し、その組成はＣＯ2 が１０〜１８％、ＣＯが２２〜３０％、Ｎ2 が５２〜６０％、Ｈ2 が０．５〜４％、ＣＨ4 が０．５〜３％とされている。
【０００３】
ＢＦＧはこれ以外に煙塵を２〜１０ｇ／Ｎｍ3 含んでいるので、これを除塵器で０．０１ｇ／Ｎｍ3 程度まで除去した後、発熱量８００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 程度の低カロリ燃料ガスとして、熱風炉、コークス炉、加熱炉、ボイラー等に利用されている。近年、ガスタービンにおいても、その技術の向上により低カロリガスの燃焼が可能となり、ＢＦＧをガスタービン燃料として用いて発電する事例が増加している。
【０００４】
一方で、近年、高炉法以外の新しい製鉄プロセス（たとえば直接還元鉄法）が開発されつつあり、こうした新プロセスから発生する常時カロリ変動する副生ガスの有効利用に対しても適用できる燃焼方式の開発が待たれている。いずれの製鉄プロセスであれ、発生する副生ガスの特性（ガス組成やカロリ）は設備や操業内容によって異なっており、同一設備であっても各原料の特性や反応過程に応じて時々刻々変化し、一定することがない。
【０００５】
副生ガスをガスタービンの燃料として使用する場合の最も重要な特性であるカロリについて見てみると、各ガスタービンが固有するカロリの許容変動幅の上限（たとえば平均カロリ値の約＋１０％）を超えた場合、つまりカロリ値が急激に大きくなった場合、ガスタービンの燃焼器内での燃焼温度が急激に異常な高温となることがある。これに起因してバーナー部分、タービンの静翼および動翼が損傷を受けて短命化したりする弊害が発生し、ガスタービン設備の経済的な連続運転が困難になる。
【０００６】
副生ガスの変動するカロリを抑制するために窒素ガス（Ｎ2 ）によって希釈する技術は公知である（たとえば特許文献１および特許文献２を参照）。しかしながら、Ｎ2 のみによって副生ガスを希釈する場合、カロリの変動値によってはＮ2 等の高価な不活性ガスをを大量に使用せざるを得ない。また、不活性ガスを連続して大量に確保することは特殊な産業分野を除いて非常に困難である。さらに、大量の不活性ガスの貯蔵設備や、配管を含むガス供給のための各種機器設備等を延設する必要がある。これらの理由により、不活性ガスを使用する方法はガスタービン発電の経済性を低下させ、高効率を標榜するガスタービンの技術的優位性を阻害する。
【特許文献１】特開２００２−１５５７６２号公報
【特許文献２】特開平９−３１７４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、設備コストおよび運転コストが低廉な、ガスタービン用低カロリ燃料ガスのカロリ上昇を緩和することのできる低カロリガス供給設備、この低カロリガス供給設備を備えたガスタービン設備、および、ガスタービン燃料用低カロリガスのカロリの上昇を抑制する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的のために本発明の低カロリガス供給設備は、
低カロリガスを燃料ガスとしてガスタービンに供給するための低カロリガス供給通路と、
該低カロリガス供給通路に接続された、希釈用の水蒸気を低カロリガス供給通路に供給するための水蒸気供給通路と、
上記低カロリガス供給通路に配設された、ガス中の発熱量を検出するための発熱量検出装置と、
該発熱量検出装置の検出結果に基づいて水蒸気供給通路による水蒸気供給動作を制御しうる制御装置とを備えている。
【０００９】
この発明によれば、可燃性ガスを含まず且つ調達が容易な水蒸気を混合して低カロリガスを希釈することにより、絶えずカロリ変動する低カロリガスのカロリ上昇を抑制することができる。ここで、発熱量検出装置とは、ガスの発熱量を直接計測する装置（たとえば、いわゆるカロリメータ）はもとより、ガス中の可燃成分の含有率を計測する装置をも含む。
【００１０】
上記制御装置は、ガスタービンの燃料ガスの最大許容カロリ値を設定し、低カロリガスのカロリ値をこの最大許容カロリ設定値以下に維持するように、水蒸気供給通路から水蒸気を供給するように構成することができる。
【００１１】
上記低カロリガス供給通路におけるガスタービンの燃焼器に至るまでに、燃料圧縮機および冷却器が設置されている低カロリガス供給設備において、
燃料圧縮機と冷却器との間に、低カロリガスと水蒸気とを混合するための混合器を設置することができる。供給する水蒸気の圧力、温度に適した圧力、温度の低カロリガスが流れている位置において当該水蒸気を混合するためである。なお、燃焼器には直接水蒸気を供給することはしない。
【００１２】
以上の各設備において、上記低カロリガス供給通路に、低カロリガスを一時的に貯留する第一タンクが配設されており、この第一タンクが入口と出口とを有しており、入口には低カロリガス供給通路の上流側が接続されており、出口には低カロリガス供給通路の下流側が接続されているのが好ましい。低カロリガス供給通路を通して供給されてくる低カロリガスの全てが第一タンク内に一時的に貯留され、その中で混合されることにより、そのカロリ変動の幅が減少され、且つ、カロリ変動速度が緩和されるため、第一タンク出口の下流部での水蒸気希釈によるカロリ平準化制御が一層容易となるからである。前述した発熱量検出装置は低カロリガス供給通路に設置されるが、低カロリガス供給通路に上記第一タンクや後述の第二タンクが設置される設備においては、このタンクも低カロリガス供給通路を構成するので、発熱量検出装置を上記タンクに取り付けることをも含む。
【００１３】
上記低カロリガス供給通路に、低カロリガスを一時的に貯留する第二タンクが配設されており、低カロリガス供給通路と上記第二タンクとの間に、低カロリガスを低カロリガス供給通路から第二タンクに送り込むガス入口通路と、低カロリガスを第二タンクから低カロリガス供給通路へ戻す出口通路とが配設されており、上記入口通路に低カロリガスを第二タンクに向けて圧送する第一ガス圧送装置が配設されている低カロリガス供給設備が好ましい。上記第一タンクによる作用と同様な作用が奏されるからである。
【００１４】
上記低カロリガス供給通路に、供給する低カロリガスの一部をこの低カロリガス供給通路の上流側へ戻す戻し通路が配設されており、この戻し通路に、低カロリガスを低カロリガス供給通路の上流側に向けて圧送する第二ガス圧送装置が配設されている低カロリガス供給設備が好ましい。上記第一タンクによる作用と同様な作用が奏されるからである
上記水蒸気供給通路に配設された、この通路を遮断および開放しうる水蒸気遮断装置と、この水蒸気遮断装置の上流側に配設された水蒸気放出装置とを備えている低カロリガス供給設備が好ましい。水蒸気遮断装置としてはたとえば止め弁や流調弁などが採用されうる。
【００１５】
上記希釈用の水蒸気として、この低カロリガス供給設備が燃料を供給する対象である上記ガスタービンからの排熱を利用したボイラが発生する水蒸気を利用することができる。なお、上記ボイラから発生する水蒸気を直接利用することも含むが、この水蒸気を一旦発電用の蒸気タービン等で利用した後に希釈用水蒸気として利用することも含む。
【００１６】
本発明のガスタービン設備は、
ガスタービンと、このガスタービンに燃料ガスとして低カロリガスを供給するための低カロリガス供給設備とを備えており、この低カロリガス供給設備が、前述したうちのいずれか一の低カロリガス供給設備である。
【００１７】
かかるガスタービン設備において、ガスタービンが複数機設置されており、各ガスタービンに上記低カロリガス供給設備と排熱回収ボイラおよび／または補助ボイラとが併設されており、
低カロリガス供給設備の上記水蒸気供給通路に導入される水蒸気が、対応するガスタービン以外のガスタービンに併設された排熱回収ボイラおよび／または補助ボイラによって発生した水蒸気であってもよい。
【００１８】
本発明のガスタービン燃料用低カロリガスのカロリ上昇抑制方法は、
燃料ガスとしてガスタービンに供給する低カロリガスの発熱量を計測するカロリ計測ステップと、
この計測結果が設定許容カロリ値を超えないように、希釈用の水蒸気を上記低カロリガスに混入する水蒸気混入ステップとを含んでいる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、プロセス副生ガスのようにカロリ変動しうる低カロリガスをガスタービンに供給する設備が、低廉な設備コストおよび運転コストによって実現する。燃料ガスとして利用できる低カロリガスのカロリ上昇を抑制するために、可燃成分を含まない水蒸気を容易に且つ大量に入手することができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
添付の図面を参照しながら本発明の低カロリガス供給設備、それを備えたガスタービン設備、および、ガスタービン燃料用低カロリガスの発熱量の上昇を抑制する方法の実施形態を説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態である低カロリガス供給設備１を含んだガスタービン設備の概略を示す配管図である。ガスタービン設備としてはガスタービン発電設備を例示している。
【００２２】
この低カロリガス供給設備１は、直接還元鉄設備Ｓで発生した副生ガス（以下、低カロリガスと呼ぶ）をガスタービン２に燃料として供給する低カロリガス供給配管３と、この低カロリガスを希釈するために低カロリガス供給配管３に水蒸気を供給するための水蒸気供給配管４とを備えている。低カロリガスを希釈してそのカロリ上昇を抑えるために水蒸気を混合する理由は水蒸気は可燃性ガスや酸素ガスを含んでいないからである。ここでは、低カロリガスをその発熱量が約１２ＭＪ／Ｎｍ3 以下のガスと定義している。
【００２３】
この低カロリガス供給設備１の作動を制御するための制御装置１００が配設されている。
【００２４】
上記低カロリガス供給配管３には、直接還元鉄設備Ｓの低カロリガス発生源から送られてくる低カロリガスを除塵するための集塵装置９と、低カロリガスを一次貯留するためのバッファタンク１０とが設置されている。バッファタンク１０は比較的大容量であり、時々刻々とカロリ変動しつつ流入する低カロリガスがこのバッファタンク１０の内部で混合される。その効果については後述する。バッファタンク１０の下流側には低カロリガスの発熱量を検出するための発熱量検出装置１１と流量を計測するための流量計１２とが設置されている。
【００２５】
ここで、発熱量検出装置１１として、ガスの発熱量を直接計測する所謂カロリメータ、可燃成分の含有率（濃度）を計測する装置などが用いられる。上記発熱量検出装置１１はバッファタンク１０に直接取り付けることも可能である。また、低カロリガス供給配管３上の発熱量検出装置１１に加えてバッファタンク１０に別の発熱量検出装置を取り付けてもよい。検出速度を重視する場合は現在では可燃性ガス濃度検出器を用いるのが好ましい。さらに、適用される低カロリガスが主に含む可燃成分の種類に応じて、また、主たる濃度変動が生じる可燃成分（たとえば、直接還元鉄法における副生ガスでは一酸化炭素）に応じて、その成分の濃度を検出する濃度検出器を用いても良い。本明細書ではこれら発熱量検出装置全体を代表して「カロリメータ」と呼ぶ。
【００２６】
上記流量計１２の下流側にはガスタービン２の低圧燃料ガス圧縮機（以下、低圧圧縮機と呼ぶ）１６と高圧燃料ガス圧縮機（以下、高圧圧縮機と呼ぶ）１７とがその順に設置されており、両圧縮機１６、１７の間には燃料ガスである混合ガスを冷却するための冷却器１８が配設されている。本実施形態における低圧圧縮機１６および高圧圧縮機１７は同軸に連結された上でモータ１５によって一体で駆動されるタイプのものである。燃料圧縮機は本実施形態のような高低の二段に限定されることはなく、単段でも、三段以上であってもよい。
【００２７】
低圧圧縮機１６と冷却器１８との間には混合器６が設置されている。この混合器６には前述の水蒸気供給配管４が接続されており、ここで希釈用の水蒸気が低カロリガスと混合される。低カロリガス供給配管３の混合器６より下流部分は、そこを低カロリガスが水蒸気と混合された状態でガスタービン２まで送られることがあるので、この範囲の配管を混合ガス供給配管１３と呼ぶ。混合ガス供給配管１３にはカロリメータ１４が設置されている。
【００２８】
高圧圧縮機１７とガスタービン２の燃焼器１９とのあいだの低カロリガス供給配管１３にはタービン出力を調整するための流量調整弁（以下、流調弁という）２０が設置されている。符号２１は燃焼器１９へ空気を供給する配管に設置されたフィルタである。ガスタービン２には発電機２２が連結されている。
【００２９】
図１では、両圧縮機１６、１７がタービン２と同軸に連結されず、両者１６、１７同士が同軸に連結された上で専用のモータによって駆動される多軸式に構成されているが、これに限定されない。たとえば、両圧縮機１６、１７がタービン２と同軸に連結され、タービン２によって回転駆動される一軸式のものであってもよい。
【００３０】
このガスタービン発電設備には、ガスタービン２の排ガスの熱を利用した排熱回収ボイラー５１が併設されている。この排熱回収ボイラー５１で得られる水蒸気はプロセス蒸気等としてユーザーポイントＵに送られて利用されうるが、これに代えてまたはこれとともに図示のごとく、この水蒸気によって発電するための蒸気タービン５２を設置してもよい。排熱回収ボイラー５１からの排ガスは図示しない煙突を通して大気放散される。符号５４は発電機である。
【００３１】
さらに、上記蒸気タービン５２で使用された水蒸気は、以下のとおりガスタービン２の燃料である低カロリガスを希釈するためにも利用される。図１に示すのは背圧式蒸気タービンであり、全段で使用された後の水蒸気が水蒸気導入配管５３を通して下記水蒸気供給配管４に送られるが、復水式蒸気タービンの場合は中段から抽気した水蒸気が水蒸気供給配管４に送られる。復水式蒸気タービンの場合、全段で使用した後の水蒸気はその温度および圧力が低くなってしまうからである。
【００３２】
低カロリガスへ水蒸気を供給するための水蒸気供給設備について説明する。前述の蒸気タービン５２から水蒸気を取り出すための水蒸気導入配管５３には、低カロリガスへ水蒸気を供給する水蒸気供給配管４が接続されている。水蒸気導入配管５３には水蒸気供給配管４へ送る水蒸気の量を制御する流調弁５６が設置されている。水蒸気供給配管４には減温器２３が配設されており、水蒸気を低カロリガスに混合するのに適度な温度まで冷却することができる。この減温器２３は、水蒸気に純水を噴霧または噴水するものであり、そこには純水供給配管２４が接続されており、この純水供給配管２４には流調弁２５が設置されている。そして、減温器２３の下流側に温度計２６が設置されている。温度計２６の検出値をフィードバックしつつ水蒸気が目標温度となるように上記流調弁２５が制御される。
【００３３】
本実施形態では、低カロリガス供給配管３に希釈用として供給される水蒸気は、当該低カロリガス供給配管３が低カロリガスを供給する対象であるガスタービン２に併設された排熱回収ボイラ５１で発生した水蒸気であるが、本発明はかかる構成に限定されるものではない。たとえば、一般の工場蒸気が希釈用として利用できる場合にはこの水蒸気を用いてもよい。また、汽力発電設備が近隣に設置されている場合等では、この設備のボイラの水蒸気を発電に使用した後で利用することもできる。
【００３４】
そして、図１に示すような低カロリガス供給設備１とガスタービン２と排熱回収ボイラ５１と蒸気タービン５２とが組合わさったガスタービン発電設備が複数系統配設されているとき、他の系統の排熱回収ボイラ５１の水蒸気を希釈用として利用することができる。これは、万が一水蒸気供給源に緊急事態が発生し、水蒸気を供給できなくなった場合でもガスタービンを停止させないため等の場合である。このように他の設備５５において発生した水蒸気を導入する場合でも、上記水蒸気供給配管４に送り込む。通常は、このような複合発電設備をコールドスタートするための、いわゆる補助ボイラを備えている。そこで、この場合においても、他の系統の補助ボイラの水蒸気を希釈用として利用することができる。
【００３５】
水蒸気供給配管４における上記温度計２６の下流側には、止め弁２７、流量計２８、流調弁２９および逆止弁３０がその順に設置されている。そして水蒸気供給配管４は混合器６に接続されている。水蒸気供給配管４の上記止め弁２７と流量計２８との間には、水蒸気を大気放出するための水蒸気放出配管３１が配設されている。この水蒸気放出配管３１には流調弁３２が設置されている。
【００３６】
つぎに、制御装置１００によるこの設備の運転制御の一例を説明する。まず、低カロリガス供給配管３のカロリメータ１１と流量計１２とを監視しつつ低カロリガスをガスタービン２に向けて圧送する。このとき、すでに水蒸気供給配管４ではその止め弁２７を開いて流調弁２９を閉じているかまたは所定開度に開いた状態である。水蒸気放出配管３１の流調弁３２はわずかに開いた状態である。これにより、蒸気タービン５２から送られてくる水蒸気は、水蒸気放出配管３１から図示しない煙突を通して常時大気に放出される。運転時に、後述するガスタービン２の使用上の基準カロリ値を、供給される燃料ガスの平均カロリ値よりも低く設定する場合には、燃料ガスに常時水蒸気を供給する必要があるので、上記のとおり流調弁２９を所定開度に開いておく。ガスタービン２の基準カロリ値を燃料ガスの平均カロリ値よりも低く設定する必要がない場合には流調弁２９を閉じておく。また、水蒸気放出配管３１の流調弁３２を常時開いておく理由は、燃料ガスへの水蒸気供給が必要になったとき、または、水蒸気の供給量を増大させたいとき、この流調弁３２の開度を調整することによって一層迅速にその措置がとれるからである。
【００３７】
制御装置１００には、各ガスタービン２の燃料ガスの使用上の許容カロリ範囲が設定されている。すなわち、上記基準カロリ値（たとえば１６００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）と変動幅（たとえば基準カロリ値の±１０％）である。そして、上記低カロリガスのカロリ値がこの許容変動の上限カロリ値（たとえば＋１０％であり、１７６０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）を超えないように、水蒸気供給配管４の流調弁２９を開弁方向に、水蒸気放出配管３１の流調弁３２を閉弁方向に調整する。これによって低カロリガスに水蒸気を混合してカロリ値が許容範囲内に収まるように制御する。水蒸気を供給するときは、上記カロリメータ１１および流量計１２の監視とともに、最終的なカロリ値の適正を判断するために混合ガス供給配管１３のカロリメータ１４を監視する。
【００３８】
また、図２には低カロリガスに水蒸気を混合して行うカロリ制御の一例が示されている。図２（ａ）に示すように、前述したガスタービン２の許容カロリ範囲を、燃料ガスのカロリ値よりも低い範囲、すなわち、燃料ガスのカロリ変動の下限値と推測される値よりも低い範囲に設定することができる。このようにすれば、燃料ガスのカロリ値が変動してもガスタービン２の許容カロリ範囲を下回ることがないので、増熱用ガスを供給する必要はなく、図２（ｂ）に示すように、減熱用の水蒸気のみによって燃料ガスのカロリ調整を行うことができる。
【００３９】
また、図３に示すようなカロリ制御であってもよい。すなわち、図３（ａ）に示すように、変動する燃料ガスのカロリの下限値と推測される値が、常にその範囲内にあるようにガスタービン２の許容カロリ範囲を設定してもよい。ガスタービン２の許容カロリ範囲を、図２（ａ）に示す範囲よりも燃料ガスのカロリ値に近づけるのである。そして、変動するカロリの高い部分がガスタービン２の許容カロリ範囲を越えようとするときに、図３（ｂ）に示すように、これを防止しうる適正量の水蒸気を供給してカロリ値を許容カロリ範囲内に保持する（図３（ａ）中に破線で示す）。
【００４０】
上記混合器６が設置されているところの低カロリガスの温度は予め調査されており、この温度はほとんど変化しない。したがって、低カロリガスに混合される希釈用水蒸気はこの低カロリガスの温度と同等である必要がある。そこで、制御装置１００は、前述のとおり水蒸気供給配管４の温度計２６の検出値をフィードバックしつつ、水蒸気が低カロリガスの温度に基づいて設定された目標温度となるように、上記減温器２３に接続された純水供給配管２４の流調弁２５の開度を制御する。
【００４１】
つぎに、水蒸気放出配管３１を通して水蒸気を大気放出しうる構成にした点について説明する。水蒸気の量は流調弁２９によって制御されるが、低カロリガス供給配管３のカロリメータ１１の検出値が急激に減少した場合、この流調弁２９による制御ではその応答性に問題が生じる可能性もある。このような場合、水蒸気放出配管３１の流調弁３２によって水蒸気の一部を大気放散することにより、水蒸気の供給量を急激に減少させてカロリ値の急減に対応する。
【００４２】
つぎに、図１中のバッファタンク１０の作用効果について説明する。図示のごとく、このバッファタンク１０には、上流側の低カロリガス供給配管３が接続される入口１０ａが形成され、入口１０ａとは別に、下流側の低カロリガス供給配管３が接続される出口１０ｂが形成されている。したがって、送られてきた低カロリガスの全部がこのバッファタンク１０に流入する。このバッファタンクの容積は大きく、たとえば直径が２〜３ｍ程度の低カロリガス供給配管３に対して容積が通常２００００〜２０００００ｍ3 程度のものが設置される。したがって、時々刻々カロリが変動しつつ送られてきた低カロリガスはバッファタンク内で混合される。その結果、バッファタンク１０の出口１０ｂから出ていく低カロリガスのカロリの変動幅は一気に縮小され、変動速度は一気に低下させられる。すなわち、カロリ変動が大きく緩和（鈍化）される。このようにカロリ変動が事前に緩和されると、下流において水蒸気の希釈によるカロリ上昇の抑制制御が非常に容易となる。以上の現象を図４〜図９を参照しつつ説明する。
【００４３】
図４は、図１中のバッファタンク１０の容積を２０００００ｍ3 としたときに、カロリ変動する低カロリガスが流量５０００００Ｎｍ3 ／ｈｒで供給された場合のカロリ変動の緩和（抑制）状態のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は時間（分）を示し、縦軸は低カロリガスの発熱量であるガスカロリ値（ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）を示している。また、図中に破線で表す曲線はバッファタンク１０に送られてきた低カロリガスのカロリ変動（オリジナル変動）を示している。これは実測した一サンプルである。実線で表す曲線はバッファタンク１０から出ていく低カロリガスのカロリ変動（抑制後変動）を示している。図示のごとく、バッファタンク１０に入る前の低カロリガスのカロリは約１５３０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 から約２３６０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 まで変動している。つまり平均値（１９４５ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±２１％の変動幅を持っている。ところが、バッファタンク１０から出ていく低カロリガスのカロリ変動をシミュレーションモデルを用いて理論計算した結果によれば、１７８０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 から１９６０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 までであり、変動幅は平均値（１８７０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±５％まで抑制されている。図示のごとく変動周期も大幅に緩和されている（長くなっている）。この効果は低カロリガスの供給流量に対してバッファタンクの容積を大きくするほど顕著になる。また、オリジナル変動の周期や変動幅が小さい場合は経済性の見地からバッファタンクの容積を小さくしてもカロリ変動の抑制効果がある。
【００４４】
図５には、低カロリガスが流量は５０００００Ｎｍ3 ／ｈｒとしたままで、バッファタンク１０の容積を上記のものの半分の１０００００ｍ3 としたときのカロリ変動の減衰状態が示されている。この場合のカロリ変動もバッファタンク１０によって１７００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 から２０４０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 までの範囲に抑制されており、変動幅は平均値（１９７０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±９％である。
【００４５】
図６は、低カロリガスが流量２０００００Ｎｍ3 ／ｈｒで供給される設備においてバッファタンク１０の容積を５００００ｍ3 としたときの、カロリ変動の減衰状態が示されている。この場合のカロリ変動もバッファタンク１０によって１７４０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 から２０１０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 までの範囲に抑制されており、変動幅は平均値（１８７５ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±７．２％である。
【００４６】
図示しないが、低カロリガスが上記と同様に流量２０００００Ｎｍ3 ／ｈｒで供給される設備において、バッファタンク１０の容積を上記の半分の２５０００ｍ3 としたときは、変動幅は平均値（１８７５ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±１２％となる。
【００４７】
したがって、図７に示すように、低カロリガスが流量２０００００Ｎｍ3 ／ｈｒで供給される設備において、容積が２５０００ｍ3 のバッファタンク１０を並列に二台設置しておき、通常運転時には二台とも使用し、定期点検や作動不良時等の非定常事態にのみ片方のタンクのみを使用するという工夫もできる。
【００４８】
このように、バッファタンクを備えるだけで、積極的に減熱用ガスおよび増熱用ガスを添加する制御をすることなく低カロリガスのカロリ変動が大きく抑制される。その結果、下流において水蒸気を混合する制御が非常に容易になされる。たとえば、ガスタービン２の燃料ガスのカロリ変動幅が基準カロリ値（平均値）の±１０％と設定されている場合であれば、その仕様に適合させうる容積のバッファタンクを備え、バッファタンクの下流では変動するカロリの平均値を、ガスタービン２に設定された基準カロリ値と一致させるために、一定比率の水蒸気を下流側で供給するだけで良くなる。水蒸気の供給動作に関しては低カロリガスのカロリ変動の周期や振幅を考慮する必要が無くなる。
【００４９】
極端な場合、バッファタンク１０を通過した後の低カロリガスの変動するカロリの平均値が、ガスタービン２に設定された基準カロリ値とほぼ一致しているなら、水蒸気供給設備は必要無くなる。バッファタンク１０および水蒸気供給設備の両方とも設けられている場合であっても、図１の水蒸気供給配管８の流調弁２９を閉止した状態で設備を運転すれば良い。当然ながら、発生した低カロリガスのカロリ変動がもともと大きくない場合は、バッファタンクの設置は必要でなく、水蒸気供給設備のみで十分に対応可能である。
【００５０】
図８には他のバッファタンク４２が示されている。このバッファタンク４２は従来のガスタービン設備に使用されることのあるもので、ガス量バランスを監視する装置４０に含まれるものである。すなわち、このガス量バランス監視装置４０は、上流側から送られてくる低カロリガスの量とガスタービンで必要とする消費ガス量とのバランスを取るためのものである。供給ガス量の変動やガスタービンの負荷変動がある場合、供給量と消費量との間でバランスを取る必要がある。供給量が予想外に過剰となったときには大気に放散するなどし、供給不足となったときにはガスタービンの負荷を低下させたり、一部の運転を停止したりするのである。
【００５１】
このガス量バランス監視装置４０は、連通管４１によって低カロリガス供給配管３と接続されたタンク４２と、タンク４２の上端開口を気密に閉止し且つタンク内を上下動可能に配設された蓋部材４３と、たとえば蓋部材４３に設置された調整用おもり４４とを備えている。蓋部材４３は、自重と上記おもり４４の重量と大気圧による押し下げ力との総計と、タンク４２の内圧による押し上げ力とのバランスによってタンク内を上下動する。したがって、低カロリガスの供給量と消費量とのバランスの変化に応じて蓋部材４３が上下動する。この蓋部材４３の上下動を監視しつつ燃料ガスの大気放散やタービン負荷の低下等の措置をとる。
【００５２】
このガス量バランス監視装置４０をカロリ変動抑制のために利用するのである。このタンク４２には、上記連通管４１の他に新たに低カロリガス供給配管３と連通する入口配管４５が接続されている。この入口配管４５には低カロリガスをタンク４２に送り込むファン３９が設置されている。したがって、供給される低カロリガスの一部は入口配管４５を通ってタンク４２に流入してタンク４２内で混合し、同量のガスが上記連通管４１を通ってタンク４２から低カロリガス供給配管３に戻る。したがって、この場合は上記連通管４１は出口配管とも呼べる。
【００５３】
図９には、カロリ変動抑制手段として利用しうる他のガス量バランス監視装置４６が示されている。このガス量バランス監視装置４６は、さらに経済的な構成をとっており、連通管４１によって低カロリガス供給配管３と連通された気密構造のタンク４６ａを有している。タンク４６ａには圧力検出装置４７が設置されており、タンク４６ａの内圧が常時監視される。制御装置１００は、検出圧力が上限域に達すると設備内のガス消費量を増加する指令を出し、ガスの需給バランスをとる。その他の構造は前述の装置４０（図８）と同じであり、カロリ変動抑制手段として十分に利用可能である。
【００５４】
図１０は、カロリ変動する低カロリガスが流量５０００００Ｎｍ3 ／ｈｒで供給される設備において、図８または図９中のタンク４２（４６ａ）の容積を２０００００ｍ3 とし、上記ファン３９によって５０００００Ｎｍ3 ／ｈｒのうち２０００００Ｎｍ3 ／ｈｒのガスをタンク４２（４６ａ）に送り込む場合のカロリ変動の緩和状態を示すグラフである。図中に破線で表す曲線は直接還元鉄設備Ｓから送られてくる低カロリガスのカロリ変動（オリジナル変動）を示している。これは前述の実測サンプルである。二点鎖線で表す曲線はタンク４２を出て上記連通管４１を通る低カロリガスのカロリ変動（過渡変動）のシミュレーション結果を示している。実線で示す曲線は、連通管４１より下流の低カロリガス供給配管３部分を通って混合器６に至るガスのカロリ変動（抑制後変動）を示している。前述と同じく、タンク４２（４６ａ）に入る前の低カロリガスのカロリは平均値（１９４５ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±２１％の変動幅を持っている。ところが、タンク４２（４６ａ）から連通管４１を通って低カロリガス供給配管３に合流した後のガスのカロリ変動は、１６９０ｋｃａｌ／Ｎｍ3 から２１００ｋｃａｌ／Ｎｍ3 までであり、変動幅は平均値（１８９５ｋｃａｌ／Ｎｍ3 ）の約±１１％まで抑制されている。この数値は一例である。
【００５５】
このように、タンク４２（４６ａ）を有する既設の設備を利用してガスカロリの変動を抑制することも可能である。そして、下流において水蒸気による低カロリガスの希釈を一層効果的に行うことができるようになる。なお、図８および図９では、低カロリガスをタンク４２（４６ａ）に送り込む入口配管４５が、低カロリガス供給配管３における出口配管４１より上流側に接続されているが、とくにこの構成に限定されず、出口配管４１より下流側に接続してもよい。また、両管４１、４５ともに複数本設けてもよい。
【００５６】
図１１には、他のカロリ変動抑制手段が示されている。この手段は、低カロリガス供給配管３に配設された、低カロリガスの一部を低カロリガス供給配管３の上流側へ戻すための戻し配管４８である。この戻し配管４８には低カロリガスを上流側へ圧送するファン４９が設置されている。図示の戻し配管４８は一カ所の吸引部から複数本の枝管４８ａに分岐してもとの低カロリガス供給配管３に戻すように構成されているが、一本の戻し配管から構成してもよく、また、低カロリガス供給配管３の異なる複数部位にそれぞれ一本の戻し配管を配設してもよい。かかる手段によっても、低カロリガスは低カロリガス供給配管３の上流へ戻されたときに新しい低カロリガスと混合し、カロリ変動が緩和される。この作用を増大するには、戻し配管４８を長さを長くし、供給ガス量に対する戻しガス量の容積割合を大きくすればよい。
【００５７】
以上説明した実施形態では、水蒸気を燃料ガスに混合させるための混合器６を低圧圧縮機１６の出口側に設置しているが、かかる構成には限定されない。混合器６の設置位置は、低圧圧縮機１６の入口側でもよく、高圧圧縮機１７の入口側でもよく、高圧圧縮機１７の出口側でもよい。
【００５８】
以上説明した実施形態では、使用する低カロリガスとして直接還元製鉄法によって発生する副生ガスを例示したが、これに限定されない。低カロリガスとしては、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）、石炭層に含まれる石炭層ガス（Coal mine gas であり、ＣＭＧと表す）、溶融還元製鉄法によって発生する副生ガス、ＧＴＬ（Gas-to-Liquid）プロセスにおいて発生するテイルガス（Tail gas）、オイルサンドからオイル精製プロセスに伴って発生する副生ガス、プラズマを用いたゴミ焼却によって発生するガス、生ゴミを含む一般廃棄物がその埋め立て地において発酵、分解する過程で生じるメタンガス（Landfill gas）、および、その他の類似の原料を化学反応させることに伴って発生する副生ガス等の低カロリガス等が含まれる。もちろん、ＢＦＧとＣＯＧとの混合ガスとして用いるように、上記ガスを単独はもとより、二種類以上のガスを適宜混合させて使用する場合でも本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、そのカロリが時々刻々変化する低カロリガスを、大量に導入することが容易であり且つ安価な、可燃成分や酸素ガスを含まない水蒸気によって希釈することにより、燃焼温度の異常な上昇を抑えて安定燃焼を継続させることができる。すなわち、低廉な設備コストおよび運転コストによって上記効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の低カロリガス供給設備を含んだガスタービン発電設備の一実施形態を示す配管図である。
【図２】図２（ａ）は燃料ガス（低カロリガス）のカロリ変動とガスタービンの許容カロリ範囲との関係の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は燃料ガスに供給する水蒸気の流量の変化を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は燃料ガス（低カロリガス）のカロリ変動とガスタービンの許容カロリ範囲との関係の他の例を示すグラフであり、図３（ｂ）は燃料ガスに供給する水蒸気の流量の変化を示すグラフである。
【図４】図１におけるバッファタンクを通過することによって低カロリガスのカロリ変動が緩和される状態の一例を示したグラフである。
【図５】バッファタンクを通過することによって低カロリガスのカロリ変動が緩和される状態の他の例を示したグラフである。
【図６】バッファタンクを通過することによって低カロリガスのカロリ変動が緩和される状態のさらに他の例を示したグラフである。
【図７】図１のガスタービン発電設備において設置されうるバッファタンクの他の例を示す配管図である。
【図８】図１のガスタービン発電設備において設置されうるバッファタンクのさらに他の例を示す配管図である。
【図９】図１のガスタービン発電設備において設置されうるバッファタンクのさらに他の例を示す配管図である。
【図１０】図８または図９のバッファタンクを通過することによって低カロリガスのカロリ変動が緩和される状態の一例を示したグラフである。
【図１１】図１のガスタービン発電設備において設置されうるカロリ変動抑制手段の他の例を示す配管図である。
【符号の説明】
【００６１】
１・・・・低カロリガス供給設備
２・・・・ガスタービン
３・・・・低カロリガス供給配管
４・・・・水蒸気供給配管
６・・・・混合器
９・・・・集塵装置
１０・・・・バッファタンク
１１・・・・カロリメータ
１２・・・・流量計
１３・・・・混合ガス供給配管
１４・・・・カロリメータ
１５・・・・モータ
１６・・・・低圧圧縮機
１７・・・・高圧圧縮機
１８・・・・冷却器
１９・・・・燃焼器
２０・・・・流調弁
２１・・・・フィルタ
２２・・・・発電機
２３・・・・減温器
２４・・・・純水供給配管
２５・・・・流調弁
２６・・・・温度計
２７・・・・止め弁
２８・・・・流量計
２９・・・・流調弁
３０・・・・逆止弁
３１・・・・水蒸気放出管
３２・・・・流調弁
３９・・・・ファン
４０・・・・ガス量バランス監視装置
４１・・・・連通管
４２・・・・タンク
４３・・・・蓋部材
４４・・・・調整用おもり
４５・・・・入口配管
４６・・・・ガス量バランス監視装置
４６ａ・・・タンク
４７・・・・圧力検出装置
４８・・・・戻し配管
４９・・・・ファン
５１・・・・排熱回収ボイラ
５２・・・・煙突
５３・・・・水蒸気導入配管
５４・・・・発電機
５５・・・・他の設備
５６・・・・流調弁
１００・・・制御装置
Ｓ・・・・直接還元鉄設備
【図１】
2007170245.tif 000003
【図２】
2007170245.tif 000004
【図３】
2007170245.tif 000005
【図４】
2007170245.tif 000006
【図５】
2007170245.tif 000007
【図６】
2007170245.tif 000008
【図７】
2007170245.tif 000009
【図８】
2007170245.tif 000010
【図９】
2007170245.tif 000011
【図１０】
2007170245.tif 000012
【図１１】
2007170245.tif 000013