(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体および液体燃料をガス化し、ガスタービンの燃料として利用する発電設備で、ガス化後のガスを冷却するガス冷却設備と、ガスタービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生するボイラーと、発生した蒸気で発電を行う蒸気タービンを備える設備において、前記ガス冷却設備への給水を前記ボイラーから分岐して同ガス冷却設備に供給する管路を具備するとともに、定常運転又は部分運転条件のもとで、変圧運転を行う前記ボイラーと定圧運転を行う前記ガス冷却設備とを具備し、前記ガス冷却設備を定常運転又は部分運転の何れかの運転条件のもとで定圧運転可能な圧力制御手段を備えてなることを特徴とするガス化複合発電設備。
【請求項２】
請求項１記載のガス化複合発電設備において、ガス冷却設備の発生蒸気の出口側に、圧力制御弁を備え、前圧制御にて設備の系内圧力を制御可能に構成されてなることを特徴とするガス化複合発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は固体および液体燃料からガス燃料を生成し、発電システムの燃料として利用するガス化複合発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の代表的なガス化複合発電設備の模式的系統図を図３に示す。図において固体及び液体をガス化するガス化炉１の後流にガスを所定温度まで冷却するガス冷却設備２を設け、このガス冷却設備２に排熱回収ボイラ６から給水管１０ａを経て給水を供給し、ガス冷却のための冷却媒体とすると共に蒸気化して蒸気管１０ｂを経て再び排熱回収ボイラ６へ戻し、加熱した後、蒸気タービン８へ供給する。通常、給水供給元の排熱回収ボイラ６が、主として蒸気タービン８の部分負荷運転、即ち部分負荷時等に負荷に相応して圧力の変化する変圧運転を行う場合、ガス冷却設備２も従属的に変圧運転を行うこととなる。
【０００３】
なお、図中、３はガス中の微粉炭質を回収するためのチャー回収設備、４はガス中のダストや硫黄分を除去するためのガス精製設備、５はガスタービン、７は最終的に排ガスを大気中へ放出するための煙突、８は蒸気タービン、９は蒸気タービン８で仕事を終えた蒸気を結露させ水に戻すための復水器、１０は復水を改めて給水として排熱回収ボイラ６へ送るためのボイラ給水ポンプ、１２はガスタービン５により駆動され、ガス化炉１への燃焼用空気を謂わば１次圧縮するためのコンプレッサ、１３はコンプレッサ１２により圧縮された空気を更に圧縮して昇圧させるための空気昇圧機、１４はガス化炉１の燃料として用いる固体または液体の燃料、１５はボイラ給水ポンプ１０によって送られてきた給水をガス冷却設備２と蒸発器１７へ適比で配分するための給水制御弁、１７は排熱回収ボイラ６内で、ガスタービン５の排ガスの排熱により蒸気タービン８駆動用の主たる蒸気の謂わば１次蒸気を発生させるための蒸発器である。
【０００４】
なお、ガスタービン５及び蒸気タービン８には図示のみで特に呼び出さない発電機が連結されていて発電する。
【０００５】
また、以降、「変圧」、「定圧」等、圧力に係る対象は特に断わる場合を除き、たとえば給水管１０ａ、蒸気管１０ｂを含む管路系内の水・蒸気系の圧力を指す。従って「排熱回収ボイラ６」の圧力とは「排熱回収ボイラ６」内を通る管路内の圧力を云い、排ガスの圧力を云うのではない。
【０００６】
因みに排熱回収ボイラ６は熱交換器であり、熱交換器は熱交換を行う２流体間の温度差がある一定以上に確保されていないと有効な熱交換を行うことができない。すなわち、非常に大きな温度差がある場合は、熱交換に必要な伝熱面積は少なくて足りるが、温度差がほとんどない場合は大きな伝熱面積を必要とし、設計上の困難や経済性の悪化、圧力損失増大による性能の劣化などを招来することとなる。
【０００７】
排熱回収ボイラ６も定格負荷においては、高温流体であるガスタービン５の排ガスと低温流体である蒸気系の蒸気とが適正な温度差を保っているが、部分負荷になるとガスタービン５の排ガス温度が低下して両者の温度が接近してくる。
【０００８】
一方、蒸気側の温度はドラムの器内圧力を飽和圧力とする飽和温度によって決まり、器内圧力を変えない限り原則として一定の温度となる。したがって両者の温度差がだんだん０に近づき、それに伴って交換熱量が減少し、蒸発量すなわち蒸気タービン８への蒸気流量も減少していく。
【０００９】
そこで排熱回収ボイラ６を部分負荷時などに変圧運転し、ガスタービン５の排ガスの温度が下がった場合には蒸気系の圧力も下げ、常に適正な温度差を確保するような運転が行われる。これにより蒸気タービン８の入口の圧力が低下するため蒸気タービン８の出力も減少するが、この減少の割合は前述の蒸発量減少による出力低下の割合に比べて小さい。
【００１０】
以上のような理由から、通常コンバインドサイクルでは部分負荷時に変圧運転を行い、部分負荷時のプラント効率の向上を図ることが一般に行なわれる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のガス化複合発電設備には解決すべき次の課題があった。
【００１２】
即ち、従来の設備では通常のガスタービンコンバインドサイクルで、蒸気タービン入口で特に圧力制御を行わない変圧運転の場合、部分負荷時等にガスタービンの排気温度が低下すると、排熱回収ボイラの蒸気系圧力が自然に低下する。一方、上記従来のガス化複合発電設備においては、ガス冷却設備への給水を排熱回収ボイラ内の適当な位置から分岐して供給する場合、ガス冷却設備も必然的に変圧運転を行うこととなる。このような場合、次に示す（１），（２）の不具合が生じる。また、ある負圧以下では定圧運転を行なうことがあるがその場合、次に示す（３）の不具合がある。
【００１３】
（１）．いかなる運転状態においても、伝熱管保護の観点からガス冷却設備の伝熱管でスチーミングを起こさない配慮が必要とされるが、ガス冷却設備を変圧運転とした場合、部分負荷時等に系内圧力が下がった際にスチーミングを起こし、伝熱管に深刻な障害を与える恐れがある。そのため、定格点においてもガス冷却設備給水温度を高く設定する事ができない。しかし図４に示すように、一般的にはガス冷却設備給水温度が高いほどプラント効率が向上するため、給水温度を低く設定する事はプラント効率の低下を招くという問題が生じる。
【００１４】
（２）．ガス化炉設備、ガス冷却設備は蒸発器管で構成された水冷壁構造をとることが多い。この場合、水冷壁の温度は内部を流れる飽和水もしくは飽和蒸気の圧力によって定まる飽和温度に左右される。ガス冷却設備を変圧運転した場合、水冷壁温度が著しく上下して大きな熱延び差を発生するため、構造上特別な配慮が必要となる。特に、ガス化複合発電設備ではガス化後の生成ガスでガスタービンを駆動する都合上、ガス化炉設備およびガス冷却設備を加圧容器内に収納する場合が多く、その場合加圧容器の貫通部が水冷壁と加圧容器の熱延び差により深刻な影響を受けやすいという問題がある。
【００１５】
（３）．排熱回収ボイラを定圧運転する場合でも、ガスタービンの排気ガス温度が低下するなど、運転条件によっては排熱回収ボイラの蒸気圧力を下げた状態で一定制御することも考えられる。しかしこのような場合でも、ガス冷却設備内部の温度は十分高いため、蒸気圧力を排熱回収ボイラのそれに合わせて連動させて下げる必要がなく、むしろ高い圧力で一定制御することが望ましい。つまり、ガス冷却設備は給水の供給元である排熱回収ボイラの運転状態とは独立に蒸気系内の圧力を制御する手段が望まれるところ、それができないという問題がある。
【００１６】
本発明は上記問題を解決したガス化複合発電設備を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題の解決手段として、次の（１）、（２）に記載のガス化複合発電設備を提供しようとするものである。
【００１８】
（１）．固体および液体燃料をガス化し、ガスタービンの燃料として利用する発電設備で、ガス化後のガスを冷却するガス冷却設備と、ガスタービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生するボイラーと、発生した蒸気で発電を行う蒸気タービンを備える設備において、前記ガス冷却設備への給水を前記ボイラーから分岐して同ガス冷却設備に供給する管路を具備するとともに、定常運転又は部分運転条件のもとで、変圧運転を行う前記ボイラーと定圧運転を行う前記ガス冷却設備とを具備し、前記ガス冷却設備を定常運転又は部分運転の何れかの運転条件のもとで定圧運転可能な圧力制御手段を備えてなることを特徴とするガス化複合発電設備。
【００２１】
（２）．上記（１）記載のガス化複合発電設備において、ガス冷却設備の発生蒸気の出口側に、圧力制御弁を備え、前圧制御にて設備の系内圧力を制御可能に構成されてなることを特徴とするガス化複合発電設備。
【００２２】
なお、上記（１）、（２）中、「変圧運転」とは蒸気系の蒸気ドラム器内圧力を運転条件（部分負荷運転など）に応じて変化させるような（蒸気タービンへの蒸気供給によって系の圧力が下がる場合等）運転方法を、また、「定圧運転」とは蒸気系の蒸気ドラム器内圧力を運転条件に関わらず、一定に保つ運転方法を、また、「前圧制御」とは圧力制御手段（圧力制御弁等）の手前を目的の圧力となるように制御することをそれぞれ云う。
【００２３】
【作用】
本発明は上記のように構成されるので次の作用を有する。
【００２４】
（１）．上記（１）の構成にあっては、前記ガス冷却設備への給水を前記ボイラーから分岐して同ガス冷却設備に供給する管路を具備するとともに、定常運転又は部分運転条件のもとで、変圧運転を行うボイラーと定圧運転を行うガス冷却設備を具備し、ガス冷却設備を定常運転又は部分運転の何れかの運転条件のもとで定圧運転可能な圧力制御手段を備えるため、たとえば発電設備が、蒸気タービン入口圧に依存する変圧運転時でもガス冷却設備のみは圧力制御手段によって比較的に高い定圧に保つことができ、スチーミングの誘発を抑止できる。
【００２５】
従って、また、ガス冷却設備の給水温度を高く保てるのでプラント効率が向上する。
【００２６】
また、ガス冷却設備を加圧容器内に収納した型式の発電設備にあっては圧力及び給水温度等を一定に保てるため、加圧容器を貫通する管路等と加圧容器との間に圧力変動や熱変動による歪や熱歪の差が生じず、亀裂、漏れ等の不具合を生じる懸念がない。
【００２８】
特に、ガス冷却設備への給水をボイラーから分岐してガス冷却設備に供給する管路を備えるため、ボイラーで高温にした水をガス冷却設備に供給できると共に圧力制御手段によってガス冷却設備を定圧維持できるのでスチーミングその他の不具合を生じさせることなくガス冷却設備給水を高温にでき、プラント効率が向上する。
【００２９】
（２）．上記（２）の構成にあっては上記（１）の構成におけるガス冷却設備の発生蒸気の出口側に圧力制御弁を備え、前圧制御にて設備の系内圧力を制御可能に構成するため、ガス冷却設備を定圧に制御でき、上記（１）と同等の作用を奏する。
【００３０】
【実施例】
本発明の一実施例に係る、ガス化複合発電設備について図１及び図２により説明する。なお、従来例と同様の構成部材には同符号を付し、必要ある場合を除き説明を省略する。
【００３１】
図１は本実施例に係るガス化複合発電設備の模式的系統図、図２は本実施例の部分負荷時の運転におけるプラント負荷と諸温度との関係線図である。
【００３２】
図１において１１はガス冷却設備２から排熱回収ボイラ６に至る蒸気管１０ｂの中途に介装された圧力制御弁である。その他の構成は従来例と同様である。
【００３３】
次に上記構成の作用について説明する。
【００３４】
先ず、運転の一般について説明すると、ガス化炉１に供給された固体または液体燃料１４は、ガス冷却設備２により所定の温度まで冷却された後、チャー回収設備３で未燃炭素分を取り除かれ、ガス精製設備４でダスト分および有害な硫黄分を除去された後、ガスタービン５の燃焼器で燃焼し発電機を駆動する。ガスタービン５の高温排気ガスは排熱回収ボイラ６へ導かれ、ボイラ給水ポンプ１０により送り込まれた給水と熱交換して冷却されて煙突７より大気に放出される。一方、ホイラ給水ポンプ１０により送り込まれた給水の一部は、給水制御弁１５の開度に応じ分岐してガス冷却設備２へ導かれ、ガス化後の生成ガスを冷却する。即ち、吸熱して高温となり蒸気を発生する。発生した蒸気は再び排熱回収ボイラ６へ戻され、排熱回収ボイラ６の主蒸気と合流した後に蒸気タービン８を駆動する。
【００３５】
排熱回収ボイラ６は、蒸気タービン８の入口圧力から各部圧力損失を積み上げて定まる圧力にて運転される。即ち、変圧運転される。蒸気タービン８の入口圧力は蒸気流量によって一義的に定まり、蒸気流量は排熱回収ボイラ６での吸熱量に応じて変化するため、結果的に排熱回収ボイラ６は変圧運転を行うこととなる。一方ガス冷却設備２の主蒸気出口には圧力制御弁１１が設置されており、これを用いた前圧制御によりガス冷却設備２の蒸気系内圧力を一定に制御する。即ち、ガス冷却設備２を定圧運転する。
【００３６】
次に、変圧、定圧、前圧制御の各運転について説明する。
【００３７】
ボイラ給水ポンプ１０により、十分高い圧力で排熱回収ボイラ６に供給された給水は、排熱回収ボイラ６とガス冷却設備２に分岐する。変圧運転では、排熱回収ボイラ６の蒸気系は蒸気タービン８の入口圧力より積み上がった圧力にて運転される。定圧運転では、蒸気タービン８の入口の図示しない制御弁を調節することにより排熱回収ボイラ６の蒸気系圧力を前圧制御で一定に保った状態で運転される。またガス冷却設備２の出口に設けた圧力制御弁１１の前圧制御により、上述の通り同設備内の蒸気系圧力が一定に制御される。
【００３８】
変圧運転では、部分負荷運転時等にガスタービン５の排気温度が低下すると、排熱回収ボイラ６の系内圧力も自然に低下する。
【００３９】
因みに定圧運転においても、運転条件によっては一時的に制御圧力を変更することで伝熱面の保護やプラント効率の低下を防ぐような運転を行う場合がある。
【００４０】
ここで、ガス冷却設備２を一定圧力制御とすることで、排熱回収ボイラ６の運転条件が変化しても部分負荷時等においてガス冷却設備２各部の温度分布が一定に保たれ、ガス冷却設備２の圧力容器の貫通部に発生する熱伸び差に起因する応力を極力低減することができる。また、部分負荷時にもガス冷却設備２の系内圧力が下がらないため、たとえば図示しない節炭器内部でのスチーミング防止対策を考慮する必要がなく、定格点において十分に高いガス冷却設備２の給水温度を設定し、より高いプラント性能を図ることが可能となる。即ち、圧力制御弁１１を制御し、ガス冷却設備２を定圧運転することにより、このような特段の作用効果が得られる。
【００４１】
図２の本実施例における部分負荷時の運転状況を示す諸線図によれば、ガスタービン排ガス温度が部分負荷時に低下するのに連動して、排熱回収ボイラ６のドラム飽和温度が低下している。これは、ガスタービン５の排ガスの温度降下により排熱回収ボイラ６での発生蒸気量が減り、蒸気タービン８の入口圧力が低下した結果、排熱回収ボイラ６の蒸気系内圧力が連動して下がったことによる。ガス冷却設備２内のドラム飽和温度は、ある設定値を境にしてそれ以下にならないように圧力制御弁１１によって前圧制御しているため、部分負荷時にもほぼ一定の飽和温度を維持している。なお部分負荷時にも、ガス冷却設備２で必要とする給水圧力を確保するために、ボイラ給水ポンプ１０の出口圧力が制御されているか、あるいは一定の吐出圧力を保っているものとする。
【００４２】
以上の通り、本実施例によればガス冷却設備２の発生蒸気の出口側となる蒸気管１０ｂに圧力制御弁１１を設けるので排熱回収ボイラ６等、蒸気タービン８の入口圧に依存する系が変圧運転中であっても、圧力制御弁１１を前圧制御することにより、ガス冷却設備２を定圧運転できるため、スチーミングが防止されるという利点がある。
【００４３】
また、ガス冷却設備２を定圧、かつ、高目の圧力に保つことができるのでプラント効率が向上するという利点がある。
【００４４】
また、ガス冷却設備２の圧力を一定にできるため、飽和圧に依存する給水温度を一定に保つことができることと相俟って、加圧容器とそれを貫通する水・蒸気系管路との間に圧力変動に基く機械的歪差、熱変動に基く熱歪差が発生せず、従って上記管路が加圧容器を貫通する部位に亀裂等が生じる危険がないという利点がある。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されるので次の効果を有する。
【００４６】
即ち、本発明によれば圧力制御手段によってガス冷却設備を定圧運転できるため、ガス冷却設備給水温度を高く設定でき、定格点における高いプラント効率と、ガスタービン排気温度の変化に応じた排熱回収ボイラの変圧運転により定格点以外においても高いプラント効率を実現できる。さらに、ガス冷却設備を定圧運転とすることで様々な運転状況のもとで一定の温度分布を維持し、熱延び差等の影響が大きい圧力容器に対する水・蒸気系管路貫通部のズレ破壊等を招く危険が全くなくなる。
【００４７】
また、ガス冷却設備を高目の一定圧に保てるのでスチーミングの生じる危険がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るガス化複合発電設備の模式的系統図、
【図２】上記実施例の部分負荷時の運転におけるプラント負荷と諸温度との関係線図、
【図３】従来のガス化複合発電設備の模式的系統図、
【図４】従来のガス冷却設備の給水温度とプラント効率の関係線図である。
【符号の説明】
１    ガス化炉
２    ガス冷却設備
５    ガスタービン
６    排熱回収ボイラ
８    蒸気タービン
１０  ボイラ給水ポンプ
１１  圧力制御弁
１４  固体または液体燃料
１５  給水制御弁
１７  蒸発器
【図１】
0003794724.tif 000002
【図２】
0003794724.tif 000003
【図３】
0003794724.tif 000004
【図４】
0003794724.tif 000005