JP2017166334A - ガスタービン起動時の運転方法およびガスタービンの排気ガス経路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンを起動させるときに生じるおそれのある粉じんや各種フレークの飛散の問題を未然に解消することのできる技術の提供を目的とする。【解決手段】ガスタービン起動時の運転に当たり、このガスタービンの排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを介して流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させ、ガスタービン起動時の運転中は、排気ガスを上記バイパス経路中に導いて当該経路中に配設したフィルター式集塵機にて該排気ガスの除塵を行なうガスタービン起動時の運転方法、およびそのガスタービン起動時の運転方法に使用する排気ガス経路装置。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン起動時の運転方法およびその運転時に適用して有用なガスタービンの排気ガス経路装置に関する。

一般に、火力発電所などでは、燃料を燃焼させて発生した高温高圧の燃焼ガスを用いてガスタービンを回転させ、その回転力を利用する発電機により電力を発生させている。この場合、そのタービンには直接、燃焼ガス等を導入しているが、これらの燃料ガスや燃焼用空気等については、タービンの入側においてフィルター等を用いて清浄化するのが普通である。即ち、ガスタービンの場合、従来、その上流側（入側）の燃料ガス等は清浄化処理してから導入されているのである。その結果、ガスタービンの下流側、即ち、出側である排気系燃焼ガス中の粉じんは比較的少ないものになっている。従って、燃焼ガスによりタービンを回転させた後は、通常、そのまま排気することができ、排気ガスの再処理は行なわないか、脱硝設備を配設する程度に止めるのが普通である。

また、その他の従来技術としては、ガスタービンの下流側に排熱回収ボイラを配設し、この排熱回収ボイラにより高温の蒸気を発生させて蒸気タービンで熱回収するコンバインドサイクル発電、さらにはタービンの上流側にサイクロンやガス精製装置を配置した石炭ガス化複合発電システムなどもある（特許文献１）。

さらに、特許文献２に開示されているガスタービンでは、該タービンの上流側（入側）に除塵用フィルタを配設して粉じんを含まない空気を圧縮機に送ることとしている。

特開２０１１−２１４５６２号公報 特開２０１１−１４０８８０号公報

前述したように、特許文献１、２などに開示されている従来のガスタービンの場合は、燃焼ガスの圧力、顕熱を回収した後、一般にはそのまま排気ガスとして煙突等を介して大気放散するのが普通である。

ところで、既存のガスタービンは、燃焼用空気をタービンの入側においてフィルタで予め除塵してから使用するため、燃料燃焼後の排気ガス中には粉じんはほとんど含まれていないと考えられている。しかし、この状態は、ガスタービンを安定的に運転しているときのことであり、それ故にこの場合、排気ガスをそのまま放散しても何の問題もないと言える。しかしながら、ガスタービンというのは、検査や設備補修等のために運転を停止することがある。このようなタイミングでは、燃焼ガス（排気ガス）が流通する経路内に空気が流入し、かつ温度変化や水分の流入によって、鉄さびなどを発生させることがある。

その他、特に石炭ガス化ガス、高炉ガス等の製鉄所副生ガス、重油等の硫黄分を含む燃料を使用するコンバインドサイクル発電などでは、ガスタービンの直後にある排熱回収ボイラでは、燃料中に含まれる硫黄が酸化されてＳＯｘが生成するため、これが燃焼ガス中の水分と反応して硫酸を生成し、この硫酸がボイラチューブと反応して該ボイラチューブ内表面に硫酸鉄を生じさせることがある。

さらには、ガスタービンの運転に当たっては、排気ガス中に含まれるＮＯｘを低減させるために、脱硝用アンモニアを使用することがあり、この場合、この脱硝用アンモニアとＳＯｘとの反応により硫酸アンモニウム（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４が発生し、これが排熱回収用ボイラのボイラチューブ内表面に付着し、堆積することが避けられない。

このように、燃料中に硫黄分を含み、かつ排熱回収設備を有するガスタービンでは、排熱回収設備の使用により、ボイラチューブの内表面に、硫酸鉄や硫酸アンモニウムといった生成物が不可避に生成付着し成長していると考えられている。

この点、ガスタービンを定常状態で運転しているときは、上述したようなボイラチューブ表面で反応した硫黄酸化生成物は該ボイラーチューブの表面に付着した状態にあり、それ故にこうした生成物が、燃焼ガスに同伴されて煙突から排出されるようなことはない。しかし、前述したように、設備の検査や補修といった設備停止をする場合には、ボイラチューブの温度が低下する。そのため、このときにボイラチューブの熱収縮等によって、付着していた鉄錆びや硫酸鉄、硫酸アンモニウムといった生成物が剥離してフレークとなってしまうことがある。そして、こうした場合において、その後、設備（ガスタービン）を起動しようとすると、このような鉄さびや硫酸鉄、硫酸アンモニウムが剥離してフレーク状となったものが排気ガス中に混入し、これが煙突から飛散するおそれがあった。このような鉄さびや硫酸鉄、硫酸アンモニウムは、粉じんとして放散されてしまうため、環境上、好ましくない事態を招くおそれがあった。

一方、このような問題は、通常の設備運転時には生じないため、上述したような問題は設備の起動運転時のみに、注意をする必要がある。従って、従来は、タービンの起動時に煙突から排出される粉じんができるだけ飛散しないように、気象条件の良いときにのみ起動するといった対応を取ったり、定期的なボイラー内部の洗浄をすることが多かったのである。

本発明は、このようなタービンを起動させるときに生じるおそれのある粉じんや各種フレークの飛散の問題を未然に解消することのできる技術の提供を目的とする。

発明者らは、従来技術が抱えている前述した課題を克服できると共に、前記目的の実現に向けて鋭意、検討を重ねた結果、下記のような構成を特徴とする本発明を開発するに到った。

即ち、本発明は、燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービン起動時の運転に当たり、このガスタービンの排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを介して流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させ、ガスタービン起動時の運転中は、排気ガスを上記バイパス経路中に導いて当該経路中に配設したフィルター式集塵機にて該排気ガスの除塵を行なうことを特徴とするガスタービン起動時の運転方法である。

また、本発明は、前記ガスタービン起動時の運転方法に使用するものとして、燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービンの排気ガス経路装置において、該排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを使って流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させると共に、そのバイパス経路中には起動時運転用フィルター式集塵機を配設したことを特徴とするガスタービンの排気ガス経路装置を提案する。

なお、本発明においては、
（１）ガスタービン起動時の運転は、起動開始後６時間経過するまでには終了させること、
（２）ガスタービン起動時の運転は、少なくともバイパス経路出側における排気ガス中の粉じん濃度が０．１ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下、望ましくは０．０５ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下になったときに終了すること、
（３）前記排気ガス経路の少なくとも前記バイパス経路の出側においては、粉じん濃度を測定すること、
（４）ガスタービンの起動時の運転が終了した後、排気ガスを前記流路切替用ダンパーを使って、メイン経路に導くこと、
（５）前記フィルター式集塵機は、集塵率（比色法）が６０％以上、および／または濾過通過粒子の大きさを５０μｍ以下にできるものを用いること、
（６）前記排気ガス経路の少なくともバイパス経路の出側に粉じん濃度計を配設したこと、
を採用することが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

前述した構成に係る本発明によれば、ガスタービン、例えば、排熱回収設備を有するガスタービンを運転する際に、とりわけ起動時に発生することが予想される排気ガス中に含まれる粉じん（フレーク状粉じんを含む）を排気ガス経路のうちのとくに起動時に使うバイパス経路中に配設したフィルター式集塵機により除去（除塵）することで、有害な粉じんが大気中へ放散するのを未然に防ぐことができる。さらに、起動運転を終えて通常（安定）運転時になったときには、排気ガスをフィルター式集塵装置を通すことなく放散できるようになるために、不要な圧力損失を回避して有効なエネルギー回収を行なうことができるという効果があり、発電効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態を説明するための設備フローの略線図である。 本発明の他の実施形態を説明するための設備フローの略線図である。

図１は、本発明に用いて好適なタービン、とくに高炉ガスのような製鉄所副生ガスを燃料ガスとして発電を行なうガスタービン設備の例を示す。この図において、図示の１はガスタービン、２は外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮器、３は圧縮した空気を燃料ガスと混合して燃焼させることにより、高温・高圧のガスを得る燃焼器であり、得られたその高温・高圧のガスにて、前記ガスタービン１を回転させ、その回転軸と主として同軸上に取付けられる図示しない発電機を起動させて発電する構成のものが一般的である。

なお、図１に示す例は、前記タービン１の下流側（排気出側）に、排気ガスの顕熱を回収するための排熱回収ボイラ４を配置し、この排熱回収ボイラ４にて発生する蒸気にて駆動させる蒸気タービン５を配置すると共に、この蒸気タービン５を介して、発電機を起動させて発電する例である。なお、図示の６は復水器である。

前記タービン設備において、本発明では、前記ガスタービン１の下流側には直接的にまたは、排熱回収ボイラ４などを介して間接的に、即ち排気ガス経路７を次のように構成配置し、特に、ガスタービン起動時の運転に備えるようにした。

具体的には、前記排気ガス経路７中に、流路切替用ダンパー８を配設すると共に、その延在位置を、通常運転時に利用するメイン経路７ａと起動時運転に利用するバイパス経路７ｂとに分岐し、該バイパス経路７ｂをガスタービンの起動運転時の所定の時間だけ使用するようにしたものである。

そして、本発明では、ガスタービンの起動時運転に使用するために、前記バイパス経路７ｂ中にフィルター式集塵機９を配設している。そのフィルター式集塵機８としては、排気ガス温度（通常１００〜１５０℃）を考慮した既知の耐熱エヤフィルタ（濾材として金網で支持されたガラス綿を利用した箱状のもの）などの１〜複数個を積層ないし所要の間隔をおいて列設して用いることが好ましい。

このようなフィルター式集塵機９を用いることで、特に、ガスタービンの起動時に観察されることが多い、いわゆる該ガスタービン１や排熱回収ボイラ４の出側における高温排気ガス中に含まれる粉じん（媒塵）、あるいは前述したボイラーチューブ内表面に生成した硫酸鉄片や付着硫酸の剥離片等からなるフレイク（ｆｌａｋｅ）を除去することができ、排気ガスをそのまま放散することがあっても、排気ガス中の粉じん等を環境上、全く問題にならない程度にまで低下させることができるようになる。

このような要請に応えられる前記フィルター式集塵機９の性能としては、例えば、前記フレイクを可視粒径以下のものとするために、集塵率がＪＩＳ９９０８に定める比色法での平均捕集率が６０％以上、および／または濾過通過粒子の大きさが５０μｍ以下となる性能のものになるように、耐熱エヤフィルタの設置個数を調整することが好ましい（ただし、平均捕集率が６０％以上の耐熱エヤフィルタであれば、１基でも入側粉じんの９９．９ｍａｓｓ％までの除去は可能である）。それは、上記の集塵率、濾過通過粒子であれば環境上の問題を克服できるからである。

本発明において、ガスタービン起動時の運転は、起動開始後４〜５時間程度、少なくとも６時間を経過するまでには終了することが好ましい。その理由は、実機において排熱回収ボイラ４内部を水洗した場合、水洗後の該ボイラ４内部の水分が起動時の排気ガスによって乾燥し、少なくとも起動後６時間を経過すると、新たな粉じんの発生はなくなるからである。

また、ガスタービン起動時の運転は、少なくともバイパス経路７ｂの出側における排気ガス中の粉じん濃度が０．１ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下、望ましくは０．０５ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下になったときに終了することが望ましい。その理由は、実機において、０．０５ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下まで低下した場合は、それ以降の粉じんの再上昇が見受けられなくなるからである。このレベルは、以下で説明するような（実施例で想定する）１５０ＭＷ級のガスタービンにおいては、１ｋｇ／分程度の粉じん飛散量に相当するものである。１分間に１ｋｇの粉じんがボイラーから剥離、飛散する状況は非定常状態と想定され、望ましくは、粉じん濃度がこれ以下のレベルになったことを確認してから、経路の切り替を行なうことが望ましい。

なお、前記フィルター式集塵機９については、一定量まで粉じんを捕捉すると交換が必要となる。そのため、前記耐熱エヤフィルターは、その数を多くして、集塵面積を大きくした方が、フィルターの寿命を永くすることができ、交換周期は長くなる。一方、フィルタ個数を多くすると初期投資が嵩むため、最適個数の選定が必要となる。該耐熱エヤフィルタは、設備起動時の数時間（例えば、５時間程度）しか使用せず、使用後は待機（不使用）となるため、起動回数が多いガスタービンは該フィルタの個数を多くし、起動回数が少ないガスタービンでは該フィルタの個数を少なくすることが好ましい。一般に、年間１０回程度の起動停止回数をもつガスタービンの場合であれば、年間５０時間耐熱エヤのフィルタ使用となるため、おおむねガスタービンの定期メンテナンススパンである２年間の使用時間である、１００時間以上のフィルタ容量となるように選定すればよい。このようなフィルタ個数は発電所のメンテナンス、運転コストに比べて、十分合理的な建設コストとなる。

図２は、本発明に適合する例の１つである石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ設備）を示すものである。この例においては、ガスタービン１では、ガス精製装置つきの石炭ガス化炉１２から発生した高圧の石炭ガス化燃料ガスを、空気圧縮機２で圧縮した空気を用いて燃焼器３で燃焼させる一方、高温の排気ガスの顕熱を用いて、排熱回収ボイラ４で発生させた蒸気を用いて蒸気タービン５で発電用エネルギーを回収している。

そして、この設備を用いたガスタービン設備の起動運転に当たっては、排熱回収ボイラ４内等で生成した粉じんやフレークを流出させないようにするために、排気ガス経路７内に設置した流路切替用ダンパー８を切替え（この場合、閉止し）、バイパス経路７ｂのフィルター式集塵機９に排気ガスを流して、一定時間（５時間）除塵を行なった。そして、下記のように充分な除塵が行われ、粉じん発生が少なくなった段階（５時間経過後）で、前記流動切替用ダンパー８を開放して、排気ガスのバイパス運用を終え、メイン経路７ａに切替えを行なった。

即ち、図示例に係るガスタービン設備（発電出力：１５０ＭＷ）において、排気ガス量：１００万ｍ^３／ｈ（Ｎｏｒｍａｌ）、排気ガス温度（排熱回収ボイラ４の出口温度）：１３０℃、起動時の流路切替用ダンパ８入側での粉じん濃度：１ｍｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）の条件下での起動時運転を実施した。そして、バイパス経路７ｂ中に設置したフィルタ集塵機は進和テック製の２５０℃耐熱のフィルタ（集塵率は比色法での平均捕集率で６０％のもの）を２００基並列に設置（１段）した。この条件の下で、５時間の起動運転を行なった後では、排気ガス経路の出口（煙突１０）側での粉じん濃度は、０．０１ｍｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下の実質的に粉じんを含まないガスを排気することができた。

本発明に係るガスタービンの起動時運転の方法やガスタービンの排気ガス経路装置は、実施例における各種のガスタービン設備の他、一軸、二軸の各種タービンにおける出側の排気ガス中に主として粉じんやフレークを含むような場合の総てのタービン設備に応用できる。

１ ガスタービン
２ 圧縮器
３ 燃焼器
４ 排熱回収ボイラ
５ 蒸気タービン
７ 排気ガス経路
７ａ メイン経路
７ｂ バイパス経路
８ 流路切替用ダンパ
９ フィルタ式集塵機
１０ 煙突
１１、１１´ 粉じん濃度計
１２ 石炭ガス化炉
Ｇ 発電機

Claims (8)

1. 燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービン起動時の運転に当たり、このガスタービンの排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを介して流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させ、ガスタービン起動時の運転中は、排気ガスを上記バイパス経路中に導いて当該経路中に配設したフィルター式集塵機にて該排気ガスの除塵を行なうことを特徴とするガスタービン起動時の運転方法。
2. ガスタービン起動時の運転は、起動開始後６時間経過するまでには終了させることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン起動時の運転方法。
3. ガスタービン起動時の運転は、少なくともバイパス経路出側における排気ガス中の粉じんの濃度が０．１ｇ／ｍ^３（Ｎｏｒｍａｌ）以下になったときに終了することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン起動時の運転方法。
4. 前記排気ガス経路の少なくとも前記バイパス経路の出側においては、粉じん濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のガスタービン起動時の運転方法。
5. ガスタービンの起動時の除塵を目的とした運転が終了した後、排気ガスを前記流路切替用ダンパーを使って、メイン経路に導くことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のガスタービン起動時の運転方法。
6. 燃料ガスを燃焼させて駆動力を得るガスタービンの排気ガス経路装置において、該排気ガス経路を、流路切替用ダンパーを使って流路の切替えが可能なメイン経路とバイパス経路とに分岐させると共に、そのバイパス経路中に起動時運転用フィルター式集塵機を配設したことを特徴とするガスタービンの排気ガス経路装置。
7. 前記フィルター式集塵機は、集塵率（比色法）が６０％以上、および／または濾過通過粒子の大きさを５０μｍ以下にできるものを用いることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンの排気ガス経路装置。
8. 前記排気ガス経路の少なくとも前記バイパス経路の出側には、粉じん濃度計を配設したことを特徴とする請求項６または７に記載のガスタービンの排気ガス経路装置。

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