JP4764128B2

JP4764128B2 - 流体混合装置

Info

Publication number: JP4764128B2
Application number: JP2005284591A
Authority: JP
Inventors: 洋介北内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007090262A

Description

本発明は、例えば、時間的に物性値が変化する燃料ガスを分配してから時間的な遅れをもって混合する流体混合装置に関する。

例えば、一般的なガスタービンコンバインドサイクル発電設備にて、ガスタービンは圧縮機と燃焼器とタービンとを有しており、圧縮機で高圧となった空気と、圧縮機で高圧となり、且つ、熱交換器のヒータで高温となった燃料ガスが燃焼器に送られて燃焼し、タービンを駆動する。そして、ガスタービンで発生した高温の排気ガスは排熱回収ボイラに送って蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービンに送って発電機を運転する。そして、蒸気タービンで冷却された復水を排熱回収ボイラに戻して過熱し、再び蒸気を生成して蒸気タービンに送っている。

このような発電設備にて、製鉄プラントから生成されるガスをガスタービンの燃料ガスとして利用することが考えられている。この場合、製鉄プラントが直接還元炉（ＦＩＮＥＸまたはＣＯＲＥＸ）で発生した副生ガスである場合、このガスが低カロリーで、且つ、時間的に物性値が変化する特性を有していることからガスタービンを安定して燃焼させるための技術が必要となる。

特開２０００−１４０５９５号公報

上述したように、製鉄プラントから生成されるガスをガスタービンの燃料ガスとして利用する場合、ガスタービンを安定して燃焼させることが困難な場合がある。即ち、ガスタービンでは、発電機出力等の要求される運転特性を実現するために高圧空気に見合った燃料ガスを燃焼器に送って燃焼してタービンを駆動している。ところが、直接還元炉で発生した副生ガスは、低カロリーで、且つ、このカロリーが時間的に急に変化することがあり、この場合は、ガスタービンに投入される熱量が急変することになるため、ガスタービンを安定して燃焼させることができない。そのため、この副生ガスを時間的な物性値変化を緩和させた状態でガスタービンに供給することが必要となる。

なお、異なる流体を均一に混合するものとして、上述した特許文献１に記載されたフローミキサーがあるが、このフローミキサーは、混合する流体の流速を任意に調整して流体を均一に混合するものであり、一種類のガスにおける時間的な急変を均一化するものではない。

本発明は上述した課題を解決するものであり、時間的に物性値が変化する流体の変化量を緩和して汎用可能とした流体混合装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の流体混合装置は、上流側配管と、下流側配管と、前記上流側配管と前記下流側配管とを連結する複数の分岐通路と、前記上流側配管から前記複数の分岐通路に導入された流体を該分岐通路ごとに異なる時間をもって前記下流側配管に供給して混合する流体供給手段を具え、前記流体供給手段は、長さの異なる前記複数の分岐通路により構成され、前記複数の分岐通路は、断面積が同一で、端部が前記上流側配管及び前記下流側配管の外周面に対して周方向均等間隔で対称に連結されたことを特徴とするものである。

請求項２の発明の流体混合装置では、前記流体供給手段は、容積の異なる前記複数の分岐通路により構成されたことを特徴としている。

請求項３の発明の流体混合装置では、前記流体は、時間的に物性値が変化するガスであることを特徴としている。

請求項１の発明の流体混合装置によれば、上流側配管と下流側配管とを連結する複数の分岐通路を設けると共に、上流側配管から複数の分岐通路に導入された流体をこの分岐通路ごとに異なる時間をもって下流側配管に供給して混合する流体供給手段を設け、流体供給手段を長さの異なる複数の分岐通路により構成し、複数の分岐通路を、断面積が同一で、端部を上流側配管及び下流側配管の外周面に対して周方向均等間隔で対称に連結したので、上流側配管から複数の分岐通路に導入した流体は、流体供給手段により各分岐通路ごとに異なる時間をもって下流側配管に供給して混合されることとなり、下流側配管では、時間的に物性値が変化する流体の変化量が緩和され、この流体を広く利用することが可能となる。また、上流側配管から複数の分岐通路に導入した流体は、長さの異なる各分岐通路により異なる時間をもって下流側配管に供給して混合されることとなり、下流側配管では、時間的に物性値が変化する流体の変化量を緩和することができる。更に、上流側配管の流体は、対称に連結された各分岐通路へ均一に導入されることとなり、時間的に物性値が変化する流体の変化量を適正に緩和することができる。

請求項２の発明の流体混合装置によれば、流体供給手段を異なる複数の分岐通路により構成したので、上流側配管から複数の分岐通路に導入した流体は、容積の異なる各分岐通路により異なる時間をもって下流側配管に供給して混合されることとなり、下流側配管では、時間的に物性値が変化する流体の変化量を緩和することができる。

請求項３の発明の流体混合装置によれば、流体を時間的に物性値が変化するガスとしたので、時間的に物性値が変化するガスの物性値変化量を適正に緩和することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る流体混合装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る流体混合装置を表す概略構成図、図２は、実施例１の流体混合装置の正面図、図３は、所定時間におけるガスの混合比を表すグラフ、図４は、副生ガスにおける熱量の時間的変化と実施例１の流体混合装置により混合された副生ガスにおける熱量の時間的変化を表すグラフである。

実施例１の流体混合装置は、ガスタービンコンバインドサイクル発電設備にて、直接還元炉（ＦＩＮＥＸまたはＣＯＲＥＸ）などの製鉄プラントから排出される副生ガスをガスタービンの燃料ガスとして利用するために、この時間的に物性値が変化する副生ガスの物性値変化量を緩和してガスタービンに供給するようにしたものである。このガスタービンコンバインドサイクル発電設備は、ガスタービン、排ガスボイラ、蒸気タービンなどを組み合わせたプラントである。即ち、製鉄プラントから排出された副生ガスを、実施例１の流体混合装置により変化量を緩和し、燃焼器に送って燃焼させてタービンを駆動する。そして、ガスタービンで発生した高温の排気ガスを排熱回収ボイラに送って蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービンに送って発電機を運転する。そして、蒸気タービンで冷却された復水を排熱回収ボイラに戻して過熱し、再び蒸気を生成して蒸気タービンに送っている。

このようなガスタービンコンバインドサイクル発電設備に適用された実施例１の流体混合装置において、図１及び図２に示すように、上流側配管１１は、その上流端部が図示しない製鉄プラントに連結される一方、下流端部が閉塞されており、製鉄プラントで発生した副生ガス（流体）が流動する。下流側配管１２は、その上流端部が閉塞される一方、下流端部が図示しないガスタービンの燃焼器に連結されている。この場合、製鉄プラントで発生した副生ガスは、時間的に物性値が変化するガスである。

上流側配管１１の下流端部と下流側配管１２の上流端部は、複数（本実施例では、１０本）の分岐通路２１〜３０により連結されている。この各分岐通路２１〜３０は、一端部が上流側配管１１の外周面に連結される一方、他端部が下流側配管１２の外周面に連結されており、この場合、各分岐通路２１〜３０は、各端部が上流側配管１１及び下流側配管１２に対して対称に連結されている。即ち、各分岐通路２１〜３０の端部は、上流側配管１１及び下流側配管１２の外周面に周方向均等間隔で連結されている。

また、この分岐通路２１〜３０は、上流側配管１１からこの各分岐通路２１〜３０に導入された流体を、各分岐通路２１〜３０ごとに異なる時間をもって下流側配管１２に供給して混合する流体供給手段を有している。本実施例にて、この流体供給手段は、長さの異なる各分岐通路２１〜３０により構成している。

即ち、各分岐通路２１〜３０の軸方向長さＬは同じであるが、径方向長さＲ₁〜Ｒ₁₀が異なっており、下記の関係となっている。なお、各分岐通路２１〜３０の内径、つまり、断面積は同一で、長手方向においても均一となっている。
Ｒ₁₀＝１０Ｒ₁
Ｒ₉＝９Ｒ₁
Ｒ₈＝８Ｒ₁
Ｒ₇＝７Ｒ₁
Ｒ₆＝６Ｒ₁
Ｒ₅＝５Ｒ₁
Ｒ₄＝４Ｒ₁
Ｒ₃＝３Ｒ₁
Ｒ₂＝２Ｒ₁

従って、上流側配管１１を流れる副生ガスは、その下流端部で分岐されて各分岐通路２１〜３０に導入し、この各分岐通路２１〜３０を通って下流側配管１２に供給されて合流する。このとき、各分岐通路２１〜３０の長さが異なるため、上流側配管１１から各分岐通路２１〜３０に導入された副生ガスは、時間的な遅れをもって下流側配管１２に至る。即ち、図３に示すように、各分岐通路２１〜３０を通って下流側配管１２に供給された副生ガスは、遅れ時間Ｓだけずれて下流側配管１２に至ることとなり、この下流側配管１２で時間的に異なるガスが混合されることとなり、副生ガスが持つ物性値の変化量が緩和され、ほぼ経時的に平均化された熱量となる。つまり、上流側配管１１の副生ガスが各分岐通路２１〜３０により時間的な遅れをもって下流側配管１２に供給されることで、上流側配管１１の副生ガスは所定期間における移動平均処理がなされて下流側配管１２で合流するということである。

この場合、各分岐通路２１〜３０における長さは、副生ガスの流速、必要なずらし時間（遅れ時間）Ｓにより決定すればよい。また、分岐通路２１〜３０の本数は、移動平均処理を行う時間Ｔとずらし時間Ｓにより、Ｔ／Ｓ＋１として求められる。

ここで、本実施例の流体混合装置の作用を具体的に説明する。図４に示すように、本実施例の流体混合装置による処理を実施する前の副生ガス（計測値）は、その熱量が時間的に急変している。一方、本実施例の流体混合装置による処理を実施した後の副生ガス（移動平均値）は、その熱量の変化が緩和され時間的な急変が抑制され、変化幅が小さくなっている。この場合、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５のときの熱量がｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４，ｙ５である場合、ｔ１〜ｔ５の期間の移動平均値Ｙは、（ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＋ｙ４＋ｙ５）／５となる。

このように実施例１の流体混合装置にあっては、製鉄プラントに連結される上流側配管１１の下流端部と、ガスタービンに連結される下流側配管１２の上流端部とを、複数の分岐通路２１〜３０により連結し、この各分岐通路２１〜３０の長さを異ならせることで、上流側配管１１からこの各分岐通路２１〜３０に導入された流体を、各分岐通路２１〜３０ごとに異なる遅れ時間をもって下流側配管１２に供給して混合するようにしている。

従って、上流側配管１１を流れる副生ガスは、その下流端部で分岐されて各分岐通路２１〜３０に導入され、この各分岐通路２１〜３０を通って下流側配管１２に供給されるとき、各分岐通路２１〜３０の長さが異なるため、副生ガスは時間的な遅れをもって下流側配管１２に供給されることとなり、副生ガスが持つ物性値、つまり、熱量が移動平均処理されることでその変化量が緩和され、ほぼ経時的に平均化された熱量とすることができる。

また、本実施例では、分岐通路２１〜３０の長さを異ならせることで、副生ガスが時間的な遅れをもって下流側配管１２に供給されるようにしており、簡単な構成で副生ガスの熱量を移動平均処理してその変化量を緩和することができる。

また、本実施例では、各分岐通路２１〜３０の一端部を上流側配管１１の外周面に連結する一方、他端部を下流側配管１２の外周面に連結し、各分岐通路２１〜３０の端部が上流側配管１１及び下流側配管１２に対して対称となるように連結している。従って、上流側配管１１を流れる副生ガスを、各分岐通路２１〜３０に均一に分配して導入することができ、副生ガスを高精度に移動平均処理することができる。

なお、上述の実施例１では、分岐通路２１〜３０をコ字形状として１０本設けたが、その形状や本数に限定されるものではない。この分岐通路は、上流側配管から流体を長さの異なる分岐通路ごとに異なる時間をもって下流側配管に供給して混合できればよいものであり、例えば、湾曲形状としたり、螺旋形状としてもよい。

図５は、本発明の実施例２に係る流体混合装置を表す概略構成図、図６は、図５のVI−VI断面図、図７は、図５のVII−VII断面図である。

実施例２の流体混合装置において、図５乃至図７に示すように、図示しない製鉄プラントに連結された上流側配管４１は、その下流端部が閉塞されており、製鉄プラントで発生した副生ガス（流体）が流動する。図示しないガスタービンの燃焼気に連結された下流側配管４２は、その上流端部が閉塞されている。この場合、製鉄プラントで発生した副生ガスは、時間的に物性値が変化するガスである。

上流側配管４１と下流側配管４２との間にはタンク４３が配設されており、上流側配管４１の下流端部とタンク４３の上部が、複数（本実施例では、１０本）の第１分岐通路５１〜６０により連結され、タンク４３の下部と下流側配管４２の上流端部が、複数（本実施例では、１０本）の第２分岐通路６１〜７０により連結されている。この各第１分岐通路５１〜６０は、一端部が上流側配管４１の外周面に連結される一方、他端部がタンク４３の上面中央部に連結され、また、各第２分岐通路６１〜７０は、それぞれ上流側配管４１とタンク４３、タンク４３と下流側配管４２を均等に連結している。即ち、各分岐通路５１〜６０は長さ・配管径・ベンド（曲げ）個数が同一であり、各分岐通路６１〜７０についても同様である。

また、タンク４３は、上流側配管４１から第１分岐通路５１〜６０を介してこのタンク４３に導入された流体を、異なる時間をもって第２分岐通路６１〜７０を介して下流側配管４２に供給して混合する流体供給手段を有している。本実施例にて、この流体供給手段は、各分岐通路５１〜６０，６１〜７０と容積の異なるように区画されたタンク４３により構成している。

即ち、タンク４３は中心部を支点として１０枚の隔壁４３ａ〜４３ｊにより１０個の部屋７１〜８０に区画されており、第１分岐通路５１〜６０の端部が部屋７１〜８０の中心部側に連結される一方、第２分岐通路６１〜７０の端部が部屋７１〜８０の外周部側に連結されている。そして、各部屋７１〜８０の容積Ｑ₁〜Ｑ₁₀が異なっており、下記の関係となっている。
Ｑ₁₀＝１０Ｑ₁
Ｑ₉＝９Ｑ₁
Ｑ₈＝８Ｑ₁
Ｑ₇＝７Ｑ₁
Ｑ₆＝６Ｑ₁
Ｑ₅＝５Ｑ₁
Ｑ₄＝４Ｑ₁
Ｑ₃＝３Ｑ₁
Ｑ₂＝２Ｑ₁

従って、上流側配管４１を流れる副生ガスは、その下流端部で分岐されて各第１分岐通路５１〜６０を介してタンク４３の各部屋７１〜８０に導入され、この各部屋７１〜８０内を外側に移動し、各第２分岐通路６１〜７０を介して下流側配管４２に供給されて合流する。このとき、各部屋７１〜８０の容積が異なるため、上流側配管１１から各第１分岐通路５１〜６０を介してタンク４３の各部屋７１〜８０に導入された副生ガスは、時間的な遅れをもって各第２分岐通路６１〜７０を介して下流側配管１２に至る。

即ち、上述した実施例１と同様に、タンク４３の各部屋７１〜８０を通って下流側配管４２に供給された副生ガスは、所定の遅れ時間だけずれて下流側配管４２に至ることとなり、この下流側配管４２で時間的に異なるガスが混合されることとなり、副生ガスが持つ物性値の変化量が緩和され、ほぼ経時的に平均化された熱量となる。つまり、上流側配管４１の副生ガスが各部屋７１〜８０により時間的な遅れをもって下流側配管４２に供給されることで、上流側配管４１の副生ガスは所定期間における移動平均処理がなされて下流側配管４２で合流するということである。

このように実施例２の流体混合装置にあっては、製鉄プラントに連結される上流側配管４１とガスタービンに連結される下流側配管４２との間に、複数の部屋７１〜８０に区画されたタンク４３を設け、上流側配管４１の下流端部とタンク４３の各部屋７１〜８０の上部とを第１分岐通路５１〜６０により連結し、タンク４３の各部屋７１〜８０の下部と下流側配管４２の上流端部とを各第２分岐通路６１〜７０により連結し、このタンク４３の各部屋７１〜８０の容積を異ならせることで、上流側配管４１からこのタンク４３の各部屋７１〜８０に導入された流体を、各部屋７１〜８０ごとに異なる遅れ時間をもって下流側配管４２に供給して混合するようにしている。

従って、上流側配管４１を流れる副生ガスは、その下流端部で分岐されてタンク４３の各部屋７１〜８０に導入され、この各部屋７１〜８０を通って下流側配管４２に供給されるとき、各部屋７１〜８０の容積が異なるため、副生ガスは時間的な遅れをもって下流側配管４２に供給されることとなり、副生ガスが持つ物性値、つまり、熱量が移動平均処理されることでその変化量が緩和され、ほぼ経時的に平均化された熱量とすることができる。

また、本実施例では、タンク４３の各部屋７１〜８０の容積を異ならせることで、副生ガスが時間的な遅れをもって下流側配管４２に供給されるようにしており、簡単な構成で副生ガスの熱量を移動平均処理してその変化量を緩和することができると共に、装置の大型化を抑制することができる。

なお、上述の実施例２では、タンク４３の各部屋７１〜８０を１０分割したが、その数に限定されるものではない。また、タンク４３の各部屋７１〜８０内に仕切り板により副生ガスの流路を形成することで、部屋７１〜８０に導入された副生ガスを時間的な遅れをもって確実に排出することができる。

図８は、本発明の実施例３に係る流体混合装置を表す概略構成図である。なお、前述した実施例２で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例３の流体混合装置では、図８に示すように、上流側配管４１と下流側配管４２との下方にタンク４３が配設されており、上流側配管４１の下流端部とタンク４３の上面中央部が第１分岐通路５１〜６０により連結され、下流側配管４２とタンク４３の上面外周部とが第２分岐通路６１〜７０により連結されている。この場合、タンク４３は内部が部屋７１〜８０に区画されており、第１分岐通路５１〜６０の端部が部屋７１〜８０の中心部側に連結される一方、第２分岐通路６１〜７０の端部が部屋７１〜８０の外周部側に連結されている。

即ち、タンク４３の各部屋７１〜８０を通って下流側配管４２に供給された副生ガスは、所定の遅れ時間だけずれて下流側配管４２に至ることとなり、この下流側配管４２で時間的に異なるガスが混合されることとなり、副生ガスが持つ物性値の変化量が緩和され、ほぼ平均化された熱量となる。つまり、上流側配管４１の副生ガスが各部屋７１〜８０により時間的な遅れをもって下流側配管４２に供給されることで、上流側配管４１の副生ガスは所定期間における移動平均処理がなされて下流側配管４２で合流する。

このように実施例３の流体混合装置にあっては、上流側配管４１の下流端部とタンク４３の各部屋７１〜８０の上面中央部とを第１分岐通路５１〜６０により連結し、下流側配管４２の上流端部とタンク４３の各部屋７１〜８０の上面外周部とを各第２分岐通路６１〜７０により連結し、このタンク４３の各部屋７１〜８０の容積を異ならせることで、上流側配管４１からこのタンク４３の各部屋７１〜８０に導入された流体を、各部屋７１〜８０ごとに異なる遅れ時間をもって下流側配管４２に供給して混合するようにしている。

また、上流側配管４１及び下流側配管４２の端部をタンク４３の各部屋７１〜８０に対応した上面に連結しており、上流側配管４１と下流側配管４２とタンク４３のレイアウトの自由度を向上することができる。

なお、上述した各実施例では、上流側配管から複数の分岐通路に導入された流体をこの分岐通路ごとに異なる時間をもって下流側配管に供給して混合する流体供給手段として、長さの異なる複数の分岐通路２１〜３０、または、容積の異なるタンク４３の各部屋７１〜８０を適用したが、この構成に限定されるものではない。例えば、流路断面の異なる複数の分岐通路、流路抵抗の異なる複数の分岐通路などとしてもよい。

本発明に係る流体混合装置は、流体を分配して異なる時間をもって混合するようにしたものであり、各種の流体を混合する流体混合装置として適用することができる。

本発明の実施例１に係る流体混合装置を表す概略構成図である。実施例１の流体混合装置の正面図である。所定時間におけるガスの混合比を表すグラフである。副生ガスにおける熱量の時間的変化と実施例１の流体混合装置により混合された副生ガスにおける熱量の時間的変化を表すグラフである。本発明の実施例２に係る流体混合装置を表す概略構成図である。図５のVI−VI断面図である。図５のVII−VII断面図である。本発明の実施例３に係る流体混合装置を表す概略構成図である。

符号の説明

１１，４１上流側配管
１２，４２下流側配管
２１〜３０分岐通路（流体供給手段）
４３タンク
５１〜６０第１分岐通路（流体供給手段）
６１〜７０第２分岐通路（流体供給手段）
７１〜８０部屋（流体供給手段）

Claims

上流側配管と、下流側配管と、前記上流側配管と前記下流側配管とを連結する複数の分岐通路と、前記上流側配管から前記複数の分岐通路に導入された流体を該分岐通路ごとに異なる時間をもって前記下流側配管に供給して混合する流体供給手段を具え、
前記流体供給手段は、長さの異なる前記複数の分岐通路により構成され、
前記複数の分岐通路は、断面積が同一で、端部が前記上流側配管及び前記下流側配管の外周面に対して周方向均等間隔で対称に連結されたことを特徴とする流体混合装置。
請求項１に記載の流体混合装置において、前記流体供給手段は、容積の異なる前記複数の分岐通路により構成されたことを特徴とする流体混合装置。
請求項１または２に記載の流体混合装置において、前記流体は、時間的に物性値が変化するガスであることを特徴とする流体混合装置。