ガス化複合発電システム
【課題】ガス化複合発電システムの製造コストを低減し、効率向上を図ること。
【解決手段】ガス化複合発電システム１は、ガス化燃料を生成するガス化装置２０と、酸化剤を圧縮する第１の圧縮機１０と、この圧縮された酸化剤の少なくとも一部を圧縮し、ガス化剤としてガス化装置へ供給する第２の圧縮機１８と、第１の圧縮機で圧縮された酸化剤とガス化装置から供給されるガス化燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器からの燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービン１４、１６と、第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、第１と第２の圧縮機と第１のタービンは動力伝達可能に連結され、第１と第２の圧縮機は第１のタービンによって回転駆動され、第１のタービンと、この後流側に配置される第２のタービンとは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能とする。
【解決手段】ガス化複合発電システム１は、ガス化燃料を生成するガス化装置２０と、酸化剤を圧縮する第１の圧縮機１０と、この圧縮された酸化剤の少なくとも一部を圧縮し、ガス化剤としてガス化装置へ供給する第２の圧縮機１８と、第１の圧縮機で圧縮された酸化剤とガス化装置から供給されるガス化燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器からの燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービン１４、１６と、第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、第１と第２の圧縮機と第１のタービンは動力伝達可能に連結され、第１と第２の圧縮機は第１のタービンによって回転駆動され、第１のタービンと、この後流側に配置される第２のタービンとは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化複合発電システムのガス化剤圧縮機および空気圧縮機の駆動方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス化複合発電システムとは、石炭や残渣油などの固体や液体の燃料源をガス化装置においてガス化し、このガス化燃料をガスタービンの燃焼器で燃焼させ、タービンを駆動して発電すると共に、ガスタービンの排気ガスを排熱回収ボイラに導入し、ここで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電するものである（例えば特許文献１）。
【０００３】
ここで、空気吹きのガス化装置の場合、ガスタービンの空気圧縮機の出口空気の一部を抽気し、これを別置きの圧縮機で昇圧してガス化装置に導き、ガス化剤として使用している。これを、例示的に図５を用いて説明する。
図５に示すガス化複合発電システム１００は、ガス化装置１２０、ガスタービン１０２、および発電機１２６を有する。また、ガスタービン１０２は空気圧縮機１１０、燃焼器１１２およびタービン１１４からなる。
ガス化装置１２０は、ガス化燃料を生成し、燃料供給経路１３４を介して燃焼器１１２にガス化燃料を供給するように構成される。空気圧縮機１１０は、大気から空気を取り入れて昇圧するように構成される。燃焼器１１２は、空気圧縮機１１０で昇圧された高圧の空気と、ガス化装置１２０から供給されるガス化燃料とを混合し、この混合ガスを燃焼させるように構成される。タービン１１４は、燃焼器１１２における燃焼ガスから動力を抽出するように構成される。発電機１２６は、ガスタービン１０２によって駆動されて発電するように構成される。
ガス化複合発電システム１００は、さらに、抽気空気経路１３６、ガス化剤圧縮機１１８およびガス化剤供給経路１３８を有する。
抽気空気経路１３６は、空気圧縮機１１０の出口空気の一部を抽気するように構成される。ガス化剤圧縮機１１８は、ガスタービン１０２とは別軸として配置され、抽気空気経路１３６で抽気された空気を昇圧するように構成される。ガス化剤供給経路１３８は、ガス化剤圧縮機１１８で昇圧された空気をガス化剤としてガス化装置１２０へ供給するように構成される。
なお、ここでは排熱回収ボイラや蒸気タービンの構成（ボトミング系統）については記載と説明を省略する。
【０００４】
図５に示す複合発電システムにおいて、ガス化装置１２０から供給されたガス化燃料は、燃焼器１１２に供給される。次に、空気圧縮機１１０で圧縮された空気とガス化燃料とを混合し、燃焼器１１２で燃焼させることによって発生した高温高圧の燃焼ガスのエネルギーによってタービン１１４が回転駆動される。空気圧縮機１１０はタービン１１４と一体に結合されているので、空気圧縮機１１０はタービン１１４によって駆動される。
空気圧縮機１１０で圧縮された空気の一部は抽気されて抽気空気経路１３６を介してガス化剤圧縮機１１８で昇圧されてガス化装置１２０へ導かれ、ここでガス化燃料が生成され、ガス化燃料は燃料供給経路１３４を介してガスタービン１０２の燃焼器１１２へ供給される。
ガスタービン１０２にて得られた動力は、発電機１２６を駆動して発電を行う。この場合、軸回転数は一般的に供給電力周波数によって決まるため、複合発電システム１００の作動条件によらずに一定回転数（同期回転数）で運転される。また、ガス化剤圧縮機１１８はモータ１２８などの駆動機によって駆動される。
【０００５】
ガス化複合発電システム１００の動力調整は、燃料の流量調整によって行う。前述のとおり、ガス化複合発電システム１００では、空気圧縮機１１０から抽気された空気をガス化剤圧縮機１１８で昇圧し、この空気を用いてガス化燃料を生成して燃焼器１１２に供給している。従って、ガス化燃料の流量調整はガス化剤圧縮機１１８の流量調整を意味する。ガス化剤圧縮機１１８が軸流圧縮機である場合、ガス化剤圧縮機１１８の吸込流量の調整はガス化剤圧縮機１１８の入口に設けられた図示しない可変静翼により行う。この時、調整可能なガス化剤の流量範囲は、可変静翼の開度範囲、またはガス化剤圧縮機１１８のサージ限界によって制限される。このため、必要となるガス化剤の流量範囲がガス化剤圧縮機１１８単体にて可能となる調整範囲を超える場合は、図５に示すようにガス化剤をガス化剤圧縮機１１８の出口からバイパス経路１３０を介してガス化剤圧縮機１１８の入口にバイパスして還流させることにより、ガス化剤圧縮機１１８の吸込流量を確保する。
【０００６】
ガス化複合発電システム１００の必要燃料流量が小さい部分負荷運転時にガス化剤のバイパスを行う場合、ガスタービン１０２が要求する以上の量のガス化剤を昇圧することになり、必要以上のガス化剤圧縮機１１８の動力を消費することになるため、結果的に全体効率が低下する。
【０００７】
また、部分負荷運転時にガス化剤圧縮機１１８の流量調整範囲を制限するのは、ガス化剤圧縮機１１８の限界圧力比の低下（限界圧力比は流量にほぼ比例する）と、流量低下時のガス化剤圧縮機１１８の効率の低下が挙げられる。
軸流圧縮機では、吸込流量の低下に伴い、サージによる運転限界圧力比が低下する。このため、ガス化剤圧縮機１１８の圧力比が高い状態でガス化剤圧縮機１１８の吸込流量を低下させた場合、ガス化剤圧縮機１１８のサージ運用限界を超えるため、運転を継続することができなくなる。
一方、サージ圧力比を増加させるために、圧縮機の段数を増加させることも可能であるが、定格負荷運転条件では本来不要な翼列を追加することになるため、ガス化剤圧縮機１１８の効率が低下し、全体性能も低下することになる。
【０００８】
このため、ガス化剤圧縮機１１８を駆動するモータなどを回転数可変とすることが考えられる。
これらの構成によれば、回転数を調整することによってガス化剤圧縮機１１８の吸込流量の調整を行うことができる。このため、バイパス運転することなく、ガス化剤の流量条件を設定することが可能となり、ガス化剤圧縮機１１８の軸動力を低減し、ガス化複合発電システムの部分負荷効率をある程度向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２０７３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガスタービン自体が発電機を一定の定格回転数で駆動している以上、これと一体に結合される空気圧縮機もガスタービンと同じ一定の定格回転数で運転されている。このため、部分負荷においても、空気圧縮機は相当の空気を吸い込み、高い圧力比を発生しているため、相当の軸動力を消費していることになる。更に、ガス化剤圧縮機は空気圧縮機の抽気空気を昇圧していることから、部分負荷においても空気圧縮機の圧力比が高い（出口圧力が高い）ということは、すわなち、ガス化剤圧縮機の吸込圧力も高いことを意味する。この結果、部分負荷においても、空気圧縮機の抽気空気を更に昇圧するガス化剤圧縮機も余分な動力を消費することになる。従って、単にガス化剤圧縮機を回転数可変とするだけでは、部分負荷の効率向上はあまり期待できない。さらに、既存の構成ではガス化剤圧縮機を駆動するための付帯設備を必要とすることから、ガス化複合発電システムの製造コストも増加している。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、構造的にシンプルであり、低コストで、より効率の高いガス化複合発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るガス化複合発電システムは、ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤（例えば空気）を圧縮する第１の圧縮機（例えば空気圧縮機）と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部（別のプロセス）から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機（例えばガス化剤圧縮機）と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービン（例えば高圧タービンと低圧タービン）と、前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動され、前記第１のタービンの後流側に前記第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であること、を特徴とする。
【００１３】
本発明に係るガス化複合発電システムによれば、第１と第２の圧縮機は、第２のタービンとは独立した回転数で回転可能な第１のタービンによって駆動されることから、モータなどの付帯設備を有することなく、第１と第２の圧縮機の可変流量範囲を拡大でき、製造コストの低減およびシステム全体の効率を向上できるという効果を奏する。
【００１４】
上記ガス化複合発電システムにおいて、前記第２の圧縮機は増速機または減速機を介して前記第１の圧縮機に結合されていてもよい。
【００１５】
このようなガス化複合発電システムでは、第２の圧縮機を第１の圧縮機とは異なる定格回転数で設計をすることが可能となり、第１と第２の圧縮機がそれぞれ最適な空力性能となるように設計できることからシステム全体の効率が向上する。
【００１６】
上記ガス化複合発電システムにおいて、前記第２の圧縮機で圧縮された酸化剤を前記第２の圧縮機の入口側に還流させるバイパス流路を有する構成としてもよい。
【００１７】
このようなガス化複合発電システムでは、ガス化装置に導かれるガス化剤の流量調整は、第２の圧縮機の回転数だけでなく、ガス化剤のバイパス流量調整によっても行うことができるので、ガス化装置に導かれるガス化剤流量の制御性が向上する。
【００１８】
本発明に係るガス化複合発電システムを運転する方法は、ガス化燃料を生成するガス化装置と、酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部（別のプロセス）から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動されるガスジェネレータ部を構成し、前記第１のタービンの後流側に第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であり、前記第２のタービンは動力伝達可能に前記発電機に結合されてパワータービン部を構成しているガス化複合発電システムにおいて、前記ガス化複合発電システムの部分負荷運転時は定格運転時の回転数よりも低い回転数で前記ガスジェネレータ部を運転し、前記第１と第２の圧縮機出口の流量ないし圧力を定格運転時よりも低下させること、を特徴とする。
【００１９】
本発明に係るガス化複合発電システムを運転する方法によれば、ガスジェネレータ部を可変速運転とすることにより、第１および第２の圧縮機の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システムの圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となることから、システム全体の効率を向上できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るガス化複合発電システムによれば、製造コストを低減できると共に、システム全体の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図２ａ】軸流圧縮機の特性線図である。
【図２ｂ】軸流圧縮機の特性線図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図５】従来のガス化複合発電システムの構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施形態］
以下、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。
図１のガス化複合発電システム１は、空気圧縮機１０（第１の圧縮機）と、燃焼器１２と、高圧タービン１４（第１のタービン）と、低圧タービン１６（第２のタービン）と、発電機２６と、ガス化剤圧縮機１８（第２の圧縮機）、ガス化装置２０とからなる。空気圧縮機１０と、高圧タービン１４と、ガス化剤圧縮機１８とは同一回転軸に結合されており、ガスジェネレータ部４０を構成している。また、低圧タービン１６と発電機２６とは同一回転軸に結合されており、パワータービン部４２を構成している。ここで、高圧タービン１４と低圧タービン１６とは軸系としては結合されておらず、異なる回転数で回転可能となるように構成されている。すなわち、ガスジェネレータ部４０とパワータービン部４２とは、それぞれ異なる回転数で回転可能となるように構成されている。
【００２３】
空気圧縮機１０は、大気から取り入れた空気を圧縮するように構成されている。ガス化剤圧縮機１８は、空気圧縮機１０の出口空気の一部が抽気され、抽気空気経路３６を介して導かれた空気（抽気空気）をガス化剤（酸化剤）として昇圧するように構成されている。ガス化装置は、燃料源と、ガス化剤圧縮機１８で昇圧され、ガス化剤供給経路３８を介して導かれたガス化剤とによってガス化燃料が生成されるように構成されている。生成されたガス化燃料は、ガス化燃料供給経路３４を介して燃焼器１２に供給されるように構成されている。燃焼器１２は、空気圧縮機１０で圧縮された空気に、ガス化装置２０から供給されたガス化燃料を噴射して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成するように構成されている。高圧タービン１４は、燃焼器１２で生成された高温高圧の燃焼ガスが導かれて回転駆動されると共に、同一回転軸に結合された空気圧縮機１０と、ガス化剤圧縮機１８とを回転駆動するように構成されている。低圧タービン１６は、高圧タービン１４の出口ガスが導かれて回転駆動されると共に、同一回転軸に結合された発電機２６を回転駆動するように構成されている。発電機２６は低圧タービン１６によって回転駆動され、発電するように構成されている。
なお、ここでは排熱回収ボイラや蒸気タービンの構成（ボトミング系統）については記載と説明を省略する。
【００２４】
ここで、ガス化装置の燃料源としては、石炭や残渣油などが挙げられる。また、燃料源のガス化に空気を用いていることから第１の実施形態は空気吹き式ガス化装置に分類される。
また、空気圧縮機１０で圧縮される空気は、燃焼器１２における燃焼用空気と、ガス化装置２０におけるガス化剤として、いずれも酸化剤として作用することがわかる。
【００２５】
次に、本発明の第１実施形態に係るガス化複合発電システムの運転方法について説明する。
ガス化複合発電システム１を図示しない起動装置を用いて起動する。ガス化剤圧縮機１８は空気圧縮機１０と共に高圧タービン１４によって回転駆動され、空気圧縮機１０の出口空気から抽気された空気はガス化剤圧縮機１８で昇圧されてガス化剤としてガス化装置２０に供給される。ガス化装置２０では燃料源とガス化剤によってガス化燃料が生成される。空気圧縮機１０で圧縮された空気とガス化燃料ガスとを混合し、燃焼器１２で燃焼させることによって高温高圧の燃焼ガスを発生させる。発生した高温高圧の燃焼ガスのエネルギーによって高圧タービン１４と、その後流側の低圧タービン１６とが回転駆動される。そして低圧タービン１６は発電機２６を駆動し、発電を行う。
【００２６】
通常、発電機は一定の周波数（同期周波数、たとえば６０Ｈｚ）で送電する必要性から、ガス化複合発電システム１の作動条件によらず、パワータービン部４２は送電系と同期する一定の回転数（同期回転数、例えば３６００ｍｉｎ−１）で運転される。
一方、電力需要が少なく、ガス化複合発電システム１を定格出力よりも低い出力（部分負荷）で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量、すなわちガス化剤圧縮機１８と空気圧縮機１０の吸込流量は定格出力の場合よりも少なくなる。そこで、部分負荷では、ガスジェネレータ部４０の回転数を定格回転数から低下させて運転する。これに対し、パワータービン部４２は同期回転数に維持される。なお、ここでガスジェネレータ部４０の定格回転数とは、ガス化複合発電システム１が定格出力を発生する時の回転数を意味するが、この回転数は前記同期回転数と必ずしも同一に設定する必要はなく、適宜設計条件によって選択することが可能である。
【００２７】
次に、電力需要が多くなり、ガス化複合発電システム１を定格出力で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量が多くなることから、ガスジェネレータ部４０の回転数を上昇させ、定格回転数に到達させる。これにより、パワータービン部４２に流入する燃焼ガスの圧力と温度が上昇し、パワータービン部４２の出力が増加することから、ガス化複合発電システム１を定格出力で運転することができる。
【００２８】
ここで、図２ａと図２ｂに可変回転数の圧縮機の特性線図を示す。
図２ａにおいて、横軸は圧縮機の吸込流量、縦軸は圧縮機の断熱効率を示す。一方、図２ｂにおいて、横軸は同じく圧縮機の吸込流量、縦軸は圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との比（圧力比）を示す。
【００２９】
図２ａと図２ｂから解るように、定格回転数である１００％回転数から８５％回転数まで低下させると、吸込流量は定格流量の４５％程度まで減少させることが出来るが、断熱効率は定格時から殆んど低下していないことが解る。従って、ガスジェネレータ部４０を可変速運転とすることにより、ガス化剤圧縮機１８および空気圧縮機１０の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システム１の圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となる。
【００３０】
また、図１の構成では、ガスジェネレータ部４０において、空気圧縮機１０は機械的な回転制御装置を介することなく高圧タービン１４に一体的に結合されているので、機械的な動力の損失もなく、公知のガスタービンと同一の構造を踏襲することが出来ることから構造が簡単であり、ガス化複合発電システム１の信頼性を確保できる。
【００３１】
また、図１に示すように、ガス化剤圧縮機１８の吐出ガスをガス化剤圧縮機１８の入口に還流させるバイパス経路３０を設ける構成としても良い。これにより、ガス化剤の流量調整は、ガス化剤圧縮機１８の回転数だけでなく、ガス化剤のバイパス流量調整によっても行うことができるので、ガス化装置２０に導かれるガス化剤流量の制御性が向上する。
【００３２】
［第２の実施形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。ただし、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
図３に示す第２の実施形態のガス化複合発電システム３において、第１の実施形態のガス化複合発電システム１と異なる点は、ガス化剤圧縮機１８が増速機２２を介して空気圧縮機１０と結合されている点である。なお、増速機２２は公知のものを用いることができ、特に限定されるものではない。
【００３３】
体積流量ベースで空気圧縮機１０の吸込流量よりもガス化剤圧縮機１８の吸込流量の方が小さい場合、圧縮機の体格としては、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の方が小さくなる。ここで、空気圧縮機１０の効率が最適となるように設計した場合、ガス化剤圧縮機１８の回転数が空気圧縮機１０の回転数と同一であれば、体格の小さいガス化剤圧縮機１８の図示しない回転翼の周速（回転翼の半径と回転角速度の積）が小さくなってしまい、本来期待できる効率よりも低い効率となってしまう。
【００３４】
言い換えれば、回転翼の半径が小さいガス化剤圧縮機１８の回転翼の周速を確保するためには、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の回転数を大きくする必要がある。このため、本実施形態では、増速機２２を介して、ガス化剤圧縮機１８を空気圧縮機１０よりも大きく、最適な効率を達成する回転数で回転駆動することを可能としている。
【００３５】
一方、体積流量ベースで空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の吸込流量の方が大きい場合も考えられる。この場合は、圧縮機の体格としては、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の方が大きくなる。このため、各々の圧縮機を最適な回転数で設計して運転する場合は、ガス化剤圧縮機１８は減速機を介して空気圧縮機１０と結合する構成とし、ガス化剤圧縮機１８に対し、空気圧縮機１０の回転数が大きくなるようにすれば良い。
【００３６】
上記の構成とすることにより、いずれの場合においても、空気圧縮機１０とガス化剤圧縮機１８とをそれぞれ最適な効率が得られるように設計することが可能となり、ガス化複合発電システム３の効率を最適化することができる。
【００３７】
［第３の実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。ただし、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
図４に示す第３の実施形態のガス化複合発電システム４において、第１の実施形態のガス化複合発電システム１とはガス化剤の供給源が異なっている。すなわち、空気圧縮機１０の抽気空気をガス化剤として用いるのではなく、他のプロセス４６から導入された流体をガス化剤圧縮機２４で昇圧し、ガス化剤（酸化剤）として用いる構成となっている。
【００３８】
ここで、ガス化複合発電システムにおけるガス化装置としては、第１の実施形態で説明した、ガス化装置に供給されるガス化剤の酸素濃度が２１ｖｏｌ％程度である空気吹き式のものの他に、より酸素濃度の高い酸素吹き式（酸素濃度９５ｖｏｌ％）や改良空気吹き式（酸素濃度２１〜４０ｖｏｌ％）のものも計画されている。これらのガス化装置を備えるガス化複合発電システムにおいては、ガスタービンの圧縮機の抽気空気をガス化剤として用いるのではなく、空気を酸素と窒素とに分離するための空気分離装置などに挙げられるような他のプロセス４６において生成された、所定の酸素濃度に調整された流体がガス化剤として使用される。
【００３９】
このため、図４に示す第３の実施形態では、酸素吹き式または改良空気吹き式ガス化装置を備えるガス化複合発電システムにおいて、別のプロセスにおいて予め生成した流体をガス化剤としてガス化装置に供給するために圧縮するガス化剤圧縮機２４を空気圧縮機１０に動力伝達可能に結合して駆動する構成とした。ここで、第１の実施形態と同様に、空気圧縮機１０と、高圧タービン１４と、ガス化剤圧縮機２４とは同一回転軸に結合されており、ガスジェネレータ部４０を構成している。
【００４０】
図４の構成においても、ガス化複合発電システム４の動力調整はガス化燃料の流量調整によって行われる。従って、空気吹き式ガス化装置の場合と同様に、ガス化燃料の流量は燃料のガス化に使用されるガス化剤の流量に対応する。
【００４１】
電力需要が少なく、ガス化複合発電システム４を定格出力よりも低い出力（部分負荷）で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量、すなわちガス化剤圧縮機２４と空気圧縮機１０の吸込流量が少ないことから、ガスジェネレータ部４０の回転数を定格回転数から低下させて運転する。これに対し、パワータービン部４２は同期回転数に維持される。なお、ここでガスジェネレータ部４０の定格回転数とは、ガス化複合発電システム４が定格出力を発生する時の回転数を意味するが、この回転数は前記同期回転数と必ずしも同一に設定する必要はなく、適宜設計条件によって選択することが可能である。
【００４２】
次に、電力需要が多くなり、ガス化複合発電システム４を定格出力で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量が多くなることから、ガスジェネレータ部４０の回転数を上昇させ、定格回転数に到達させる。これにより、パワータービン部４２に流入する燃焼ガスの圧力と温度が上昇し、パワータービン部４２の出力が増加することから、ガス化複合発電システム４を定格出力で運転することができる。
【００４３】
上記の構成とすることにより、ガスジェネレータ部４０を可変速運転とすることができるため、ガス化剤圧縮機２４および空気圧縮機１０の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システム４の圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となる。
【００４４】
また、ガス化剤圧縮機２４の吐出ガスをガス化剤圧縮機２４の入口に還流させるバイパス経路３０を設ける構成としても良い。このような構成とすることにより、ガス化装置２０に導かれるガス化剤の制御性が向上する。
【００４５】
また、ガス化剤圧縮機２４を増速機または減速機を介して空気圧縮機１０と結合して駆動される構成としても良い（図示せず）。このような構成とすることにより、ガス化剤圧縮機２４と空気圧縮機１０の体格が異なる場合であっても、各々を理想的な回転数で設計することが可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１，３，４ ガス化複合発電システム
１０ 空気圧縮機（第１の圧縮機）
１２ 燃焼器
１４ 高圧タービン（第１のタービン）
１６ 低圧タービン（第２のタービン）
１８，２４ ガス化剤圧縮機（第２の圧縮機）
２０ ガス化装置
２２ 増速機
２６ 発電機
３０ バイパス経路
３４ ガス化燃料供給経路
３６ 抽気空気経路
３８ ガス化剤供給経路
４０ ガスジェネレータ部
４２ パワータービン部
４６ 他のプロセス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化複合発電システムのガス化剤圧縮機および空気圧縮機の駆動方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス化複合発電システムとは、石炭や残渣油などの固体や液体の燃料源をガス化装置においてガス化し、このガス化燃料をガスタービンの燃焼器で燃焼させ、タービンを駆動して発電すると共に、ガスタービンの排気ガスを排熱回収ボイラに導入し、ここで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電するものである（例えば特許文献１）。
【０００３】
ここで、空気吹きのガス化装置の場合、ガスタービンの空気圧縮機の出口空気の一部を抽気し、これを別置きの圧縮機で昇圧してガス化装置に導き、ガス化剤として使用している。これを、例示的に図５を用いて説明する。
図５に示すガス化複合発電システム１００は、ガス化装置１２０、ガスタービン１０２、および発電機１２６を有する。また、ガスタービン１０２は空気圧縮機１１０、燃焼器１１２およびタービン１１４からなる。
ガス化装置１２０は、ガス化燃料を生成し、燃料供給経路１３４を介して燃焼器１１２にガス化燃料を供給するように構成される。空気圧縮機１１０は、大気から空気を取り入れて昇圧するように構成される。燃焼器１１２は、空気圧縮機１１０で昇圧された高圧の空気と、ガス化装置１２０から供給されるガス化燃料とを混合し、この混合ガスを燃焼させるように構成される。タービン１１４は、燃焼器１１２における燃焼ガスから動力を抽出するように構成される。発電機１２６は、ガスタービン１０２によって駆動されて発電するように構成される。
ガス化複合発電システム１００は、さらに、抽気空気経路１３６、ガス化剤圧縮機１１８およびガス化剤供給経路１３８を有する。
抽気空気経路１３６は、空気圧縮機１１０の出口空気の一部を抽気するように構成される。ガス化剤圧縮機１１８は、ガスタービン１０２とは別軸として配置され、抽気空気経路１３６で抽気された空気を昇圧するように構成される。ガス化剤供給経路１３８は、ガス化剤圧縮機１１８で昇圧された空気をガス化剤としてガス化装置１２０へ供給するように構成される。
なお、ここでは排熱回収ボイラや蒸気タービンの構成（ボトミング系統）については記載と説明を省略する。
【０００４】
図５に示す複合発電システムにおいて、ガス化装置１２０から供給されたガス化燃料は、燃焼器１１２に供給される。次に、空気圧縮機１１０で圧縮された空気とガス化燃料とを混合し、燃焼器１１２で燃焼させることによって発生した高温高圧の燃焼ガスのエネルギーによってタービン１１４が回転駆動される。空気圧縮機１１０はタービン１１４と一体に結合されているので、空気圧縮機１１０はタービン１１４によって駆動される。
空気圧縮機１１０で圧縮された空気の一部は抽気されて抽気空気経路１３６を介してガス化剤圧縮機１１８で昇圧されてガス化装置１２０へ導かれ、ここでガス化燃料が生成され、ガス化燃料は燃料供給経路１３４を介してガスタービン１０２の燃焼器１１２へ供給される。
ガスタービン１０２にて得られた動力は、発電機１２６を駆動して発電を行う。この場合、軸回転数は一般的に供給電力周波数によって決まるため、複合発電システム１００の作動条件によらずに一定回転数（同期回転数）で運転される。また、ガス化剤圧縮機１１８はモータ１２８などの駆動機によって駆動される。
【０００５】
ガス化複合発電システム１００の動力調整は、燃料の流量調整によって行う。前述のとおり、ガス化複合発電システム１００では、空気圧縮機１１０から抽気された空気をガス化剤圧縮機１１８で昇圧し、この空気を用いてガス化燃料を生成して燃焼器１１２に供給している。従って、ガス化燃料の流量調整はガス化剤圧縮機１１８の流量調整を意味する。ガス化剤圧縮機１１８が軸流圧縮機である場合、ガス化剤圧縮機１１８の吸込流量の調整はガス化剤圧縮機１１８の入口に設けられた図示しない可変静翼により行う。この時、調整可能なガス化剤の流量範囲は、可変静翼の開度範囲、またはガス化剤圧縮機１１８のサージ限界によって制限される。このため、必要となるガス化剤の流量範囲がガス化剤圧縮機１１８単体にて可能となる調整範囲を超える場合は、図５に示すようにガス化剤をガス化剤圧縮機１１８の出口からバイパス経路１３０を介してガス化剤圧縮機１１８の入口にバイパスして還流させることにより、ガス化剤圧縮機１１８の吸込流量を確保する。
【０００６】
ガス化複合発電システム１００の必要燃料流量が小さい部分負荷運転時にガス化剤のバイパスを行う場合、ガスタービン１０２が要求する以上の量のガス化剤を昇圧することになり、必要以上のガス化剤圧縮機１１８の動力を消費することになるため、結果的に全体効率が低下する。
【０００７】
また、部分負荷運転時にガス化剤圧縮機１１８の流量調整範囲を制限するのは、ガス化剤圧縮機１１８の限界圧力比の低下（限界圧力比は流量にほぼ比例する）と、流量低下時のガス化剤圧縮機１１８の効率の低下が挙げられる。
軸流圧縮機では、吸込流量の低下に伴い、サージによる運転限界圧力比が低下する。このため、ガス化剤圧縮機１１８の圧力比が高い状態でガス化剤圧縮機１１８の吸込流量を低下させた場合、ガス化剤圧縮機１１８のサージ運用限界を超えるため、運転を継続することができなくなる。
一方、サージ圧力比を増加させるために、圧縮機の段数を増加させることも可能であるが、定格負荷運転条件では本来不要な翼列を追加することになるため、ガス化剤圧縮機１１８の効率が低下し、全体性能も低下することになる。
【０００８】
このため、ガス化剤圧縮機１１８を駆動するモータなどを回転数可変とすることが考えられる。
これらの構成によれば、回転数を調整することによってガス化剤圧縮機１１８の吸込流量の調整を行うことができる。このため、バイパス運転することなく、ガス化剤の流量条件を設定することが可能となり、ガス化剤圧縮機１１８の軸動力を低減し、ガス化複合発電システムの部分負荷効率をある程度向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２０７３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガスタービン自体が発電機を一定の定格回転数で駆動している以上、これと一体に結合される空気圧縮機もガスタービンと同じ一定の定格回転数で運転されている。このため、部分負荷においても、空気圧縮機は相当の空気を吸い込み、高い圧力比を発生しているため、相当の軸動力を消費していることになる。更に、ガス化剤圧縮機は空気圧縮機の抽気空気を昇圧していることから、部分負荷においても空気圧縮機の圧力比が高い（出口圧力が高い）ということは、すわなち、ガス化剤圧縮機の吸込圧力も高いことを意味する。この結果、部分負荷においても、空気圧縮機の抽気空気を更に昇圧するガス化剤圧縮機も余分な動力を消費することになる。従って、単にガス化剤圧縮機を回転数可変とするだけでは、部分負荷の効率向上はあまり期待できない。さらに、既存の構成ではガス化剤圧縮機を駆動するための付帯設備を必要とすることから、ガス化複合発電システムの製造コストも増加している。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、構造的にシンプルであり、低コストで、より効率の高いガス化複合発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るガス化複合発電システムは、ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤（例えば空気）を圧縮する第１の圧縮機（例えば空気圧縮機）と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部（別のプロセス）から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機（例えばガス化剤圧縮機）と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービン（例えば高圧タービンと低圧タービン）と、前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動され、前記第１のタービンの後流側に前記第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であること、を特徴とする。
【００１３】
本発明に係るガス化複合発電システムによれば、第１と第２の圧縮機は、第２のタービンとは独立した回転数で回転可能な第１のタービンによって駆動されることから、モータなどの付帯設備を有することなく、第１と第２の圧縮機の可変流量範囲を拡大でき、製造コストの低減およびシステム全体の効率を向上できるという効果を奏する。
【００１４】
上記ガス化複合発電システムにおいて、前記第２の圧縮機は増速機または減速機を介して前記第１の圧縮機に結合されていてもよい。
【００１５】
このようなガス化複合発電システムでは、第２の圧縮機を第１の圧縮機とは異なる定格回転数で設計をすることが可能となり、第１と第２の圧縮機がそれぞれ最適な空力性能となるように設計できることからシステム全体の効率が向上する。
【００１６】
上記ガス化複合発電システムにおいて、前記第２の圧縮機で圧縮された酸化剤を前記第２の圧縮機の入口側に還流させるバイパス流路を有する構成としてもよい。
【００１７】
このようなガス化複合発電システムでは、ガス化装置に導かれるガス化剤の流量調整は、第２の圧縮機の回転数だけでなく、ガス化剤のバイパス流量調整によっても行うことができるので、ガス化装置に導かれるガス化剤流量の制御性が向上する。
【００１８】
本発明に係るガス化複合発電システムを運転する方法は、ガス化燃料を生成するガス化装置と、酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部（別のプロセス）から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動されるガスジェネレータ部を構成し、前記第１のタービンの後流側に第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であり、前記第２のタービンは動力伝達可能に前記発電機に結合されてパワータービン部を構成しているガス化複合発電システムにおいて、前記ガス化複合発電システムの部分負荷運転時は定格運転時の回転数よりも低い回転数で前記ガスジェネレータ部を運転し、前記第１と第２の圧縮機出口の流量ないし圧力を定格運転時よりも低下させること、を特徴とする。
【００１９】
本発明に係るガス化複合発電システムを運転する方法によれば、ガスジェネレータ部を可変速運転とすることにより、第１および第２の圧縮機の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システムの圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となることから、システム全体の効率を向上できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るガス化複合発電システムによれば、製造コストを低減できると共に、システム全体の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図２ａ】軸流圧縮機の特性線図である。
【図２ｂ】軸流圧縮機の特性線図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るガス化複合発電システムの構成概略図である。
【図５】従来のガス化複合発電システムの構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施形態］
以下、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。
図１のガス化複合発電システム１は、空気圧縮機１０（第１の圧縮機）と、燃焼器１２と、高圧タービン１４（第１のタービン）と、低圧タービン１６（第２のタービン）と、発電機２６と、ガス化剤圧縮機１８（第２の圧縮機）、ガス化装置２０とからなる。空気圧縮機１０と、高圧タービン１４と、ガス化剤圧縮機１８とは同一回転軸に結合されており、ガスジェネレータ部４０を構成している。また、低圧タービン１６と発電機２６とは同一回転軸に結合されており、パワータービン部４２を構成している。ここで、高圧タービン１４と低圧タービン１６とは軸系としては結合されておらず、異なる回転数で回転可能となるように構成されている。すなわち、ガスジェネレータ部４０とパワータービン部４２とは、それぞれ異なる回転数で回転可能となるように構成されている。
【００２３】
空気圧縮機１０は、大気から取り入れた空気を圧縮するように構成されている。ガス化剤圧縮機１８は、空気圧縮機１０の出口空気の一部が抽気され、抽気空気経路３６を介して導かれた空気（抽気空気）をガス化剤（酸化剤）として昇圧するように構成されている。ガス化装置は、燃料源と、ガス化剤圧縮機１８で昇圧され、ガス化剤供給経路３８を介して導かれたガス化剤とによってガス化燃料が生成されるように構成されている。生成されたガス化燃料は、ガス化燃料供給経路３４を介して燃焼器１２に供給されるように構成されている。燃焼器１２は、空気圧縮機１０で圧縮された空気に、ガス化装置２０から供給されたガス化燃料を噴射して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成するように構成されている。高圧タービン１４は、燃焼器１２で生成された高温高圧の燃焼ガスが導かれて回転駆動されると共に、同一回転軸に結合された空気圧縮機１０と、ガス化剤圧縮機１８とを回転駆動するように構成されている。低圧タービン１６は、高圧タービン１４の出口ガスが導かれて回転駆動されると共に、同一回転軸に結合された発電機２６を回転駆動するように構成されている。発電機２６は低圧タービン１６によって回転駆動され、発電するように構成されている。
なお、ここでは排熱回収ボイラや蒸気タービンの構成（ボトミング系統）については記載と説明を省略する。
【００２４】
ここで、ガス化装置の燃料源としては、石炭や残渣油などが挙げられる。また、燃料源のガス化に空気を用いていることから第１の実施形態は空気吹き式ガス化装置に分類される。
また、空気圧縮機１０で圧縮される空気は、燃焼器１２における燃焼用空気と、ガス化装置２０におけるガス化剤として、いずれも酸化剤として作用することがわかる。
【００２５】
次に、本発明の第１実施形態に係るガス化複合発電システムの運転方法について説明する。
ガス化複合発電システム１を図示しない起動装置を用いて起動する。ガス化剤圧縮機１８は空気圧縮機１０と共に高圧タービン１４によって回転駆動され、空気圧縮機１０の出口空気から抽気された空気はガス化剤圧縮機１８で昇圧されてガス化剤としてガス化装置２０に供給される。ガス化装置２０では燃料源とガス化剤によってガス化燃料が生成される。空気圧縮機１０で圧縮された空気とガス化燃料ガスとを混合し、燃焼器１２で燃焼させることによって高温高圧の燃焼ガスを発生させる。発生した高温高圧の燃焼ガスのエネルギーによって高圧タービン１４と、その後流側の低圧タービン１６とが回転駆動される。そして低圧タービン１６は発電機２６を駆動し、発電を行う。
【００２６】
通常、発電機は一定の周波数（同期周波数、たとえば６０Ｈｚ）で送電する必要性から、ガス化複合発電システム１の作動条件によらず、パワータービン部４２は送電系と同期する一定の回転数（同期回転数、例えば３６００ｍｉｎ−１）で運転される。
一方、電力需要が少なく、ガス化複合発電システム１を定格出力よりも低い出力（部分負荷）で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量、すなわちガス化剤圧縮機１８と空気圧縮機１０の吸込流量は定格出力の場合よりも少なくなる。そこで、部分負荷では、ガスジェネレータ部４０の回転数を定格回転数から低下させて運転する。これに対し、パワータービン部４２は同期回転数に維持される。なお、ここでガスジェネレータ部４０の定格回転数とは、ガス化複合発電システム１が定格出力を発生する時の回転数を意味するが、この回転数は前記同期回転数と必ずしも同一に設定する必要はなく、適宜設計条件によって選択することが可能である。
【００２７】
次に、電力需要が多くなり、ガス化複合発電システム１を定格出力で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量が多くなることから、ガスジェネレータ部４０の回転数を上昇させ、定格回転数に到達させる。これにより、パワータービン部４２に流入する燃焼ガスの圧力と温度が上昇し、パワータービン部４２の出力が増加することから、ガス化複合発電システム１を定格出力で運転することができる。
【００２８】
ここで、図２ａと図２ｂに可変回転数の圧縮機の特性線図を示す。
図２ａにおいて、横軸は圧縮機の吸込流量、縦軸は圧縮機の断熱効率を示す。一方、図２ｂにおいて、横軸は同じく圧縮機の吸込流量、縦軸は圧縮機の吸込圧力と吐出圧力との比（圧力比）を示す。
【００２９】
図２ａと図２ｂから解るように、定格回転数である１００％回転数から８５％回転数まで低下させると、吸込流量は定格流量の４５％程度まで減少させることが出来るが、断熱効率は定格時から殆んど低下していないことが解る。従って、ガスジェネレータ部４０を可変速運転とすることにより、ガス化剤圧縮機１８および空気圧縮機１０の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システム１の圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となる。
【００３０】
また、図１の構成では、ガスジェネレータ部４０において、空気圧縮機１０は機械的な回転制御装置を介することなく高圧タービン１４に一体的に結合されているので、機械的な動力の損失もなく、公知のガスタービンと同一の構造を踏襲することが出来ることから構造が簡単であり、ガス化複合発電システム１の信頼性を確保できる。
【００３１】
また、図１に示すように、ガス化剤圧縮機１８の吐出ガスをガス化剤圧縮機１８の入口に還流させるバイパス経路３０を設ける構成としても良い。これにより、ガス化剤の流量調整は、ガス化剤圧縮機１８の回転数だけでなく、ガス化剤のバイパス流量調整によっても行うことができるので、ガス化装置２０に導かれるガス化剤流量の制御性が向上する。
【００３２】
［第２の実施形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。ただし、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
図３に示す第２の実施形態のガス化複合発電システム３において、第１の実施形態のガス化複合発電システム１と異なる点は、ガス化剤圧縮機１８が増速機２２を介して空気圧縮機１０と結合されている点である。なお、増速機２２は公知のものを用いることができ、特に限定されるものではない。
【００３３】
体積流量ベースで空気圧縮機１０の吸込流量よりもガス化剤圧縮機１８の吸込流量の方が小さい場合、圧縮機の体格としては、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の方が小さくなる。ここで、空気圧縮機１０の効率が最適となるように設計した場合、ガス化剤圧縮機１８の回転数が空気圧縮機１０の回転数と同一であれば、体格の小さいガス化剤圧縮機１８の図示しない回転翼の周速（回転翼の半径と回転角速度の積）が小さくなってしまい、本来期待できる効率よりも低い効率となってしまう。
【００３４】
言い換えれば、回転翼の半径が小さいガス化剤圧縮機１８の回転翼の周速を確保するためには、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の回転数を大きくする必要がある。このため、本実施形態では、増速機２２を介して、ガス化剤圧縮機１８を空気圧縮機１０よりも大きく、最適な効率を達成する回転数で回転駆動することを可能としている。
【００３５】
一方、体積流量ベースで空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の吸込流量の方が大きい場合も考えられる。この場合は、圧縮機の体格としては、空気圧縮機１０よりもガス化剤圧縮機１８の方が大きくなる。このため、各々の圧縮機を最適な回転数で設計して運転する場合は、ガス化剤圧縮機１８は減速機を介して空気圧縮機１０と結合する構成とし、ガス化剤圧縮機１８に対し、空気圧縮機１０の回転数が大きくなるようにすれば良い。
【００３６】
上記の構成とすることにより、いずれの場合においても、空気圧縮機１０とガス化剤圧縮機１８とをそれぞれ最適な効率が得られるように設計することが可能となり、ガス化複合発電システム３の効率を最適化することができる。
【００３７】
［第３の実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態に係るガス化複合発電システムについて説明する。ただし、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
図４に示す第３の実施形態のガス化複合発電システム４において、第１の実施形態のガス化複合発電システム１とはガス化剤の供給源が異なっている。すなわち、空気圧縮機１０の抽気空気をガス化剤として用いるのではなく、他のプロセス４６から導入された流体をガス化剤圧縮機２４で昇圧し、ガス化剤（酸化剤）として用いる構成となっている。
【００３８】
ここで、ガス化複合発電システムにおけるガス化装置としては、第１の実施形態で説明した、ガス化装置に供給されるガス化剤の酸素濃度が２１ｖｏｌ％程度である空気吹き式のものの他に、より酸素濃度の高い酸素吹き式（酸素濃度９５ｖｏｌ％）や改良空気吹き式（酸素濃度２１〜４０ｖｏｌ％）のものも計画されている。これらのガス化装置を備えるガス化複合発電システムにおいては、ガスタービンの圧縮機の抽気空気をガス化剤として用いるのではなく、空気を酸素と窒素とに分離するための空気分離装置などに挙げられるような他のプロセス４６において生成された、所定の酸素濃度に調整された流体がガス化剤として使用される。
【００３９】
このため、図４に示す第３の実施形態では、酸素吹き式または改良空気吹き式ガス化装置を備えるガス化複合発電システムにおいて、別のプロセスにおいて予め生成した流体をガス化剤としてガス化装置に供給するために圧縮するガス化剤圧縮機２４を空気圧縮機１０に動力伝達可能に結合して駆動する構成とした。ここで、第１の実施形態と同様に、空気圧縮機１０と、高圧タービン１４と、ガス化剤圧縮機２４とは同一回転軸に結合されており、ガスジェネレータ部４０を構成している。
【００４０】
図４の構成においても、ガス化複合発電システム４の動力調整はガス化燃料の流量調整によって行われる。従って、空気吹き式ガス化装置の場合と同様に、ガス化燃料の流量は燃料のガス化に使用されるガス化剤の流量に対応する。
【００４１】
電力需要が少なく、ガス化複合発電システム４を定格出力よりも低い出力（部分負荷）で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量、すなわちガス化剤圧縮機２４と空気圧縮機１０の吸込流量が少ないことから、ガスジェネレータ部４０の回転数を定格回転数から低下させて運転する。これに対し、パワータービン部４２は同期回転数に維持される。なお、ここでガスジェネレータ部４０の定格回転数とは、ガス化複合発電システム４が定格出力を発生する時の回転数を意味するが、この回転数は前記同期回転数と必ずしも同一に設定する必要はなく、適宜設計条件によって選択することが可能である。
【００４２】
次に、電力需要が多くなり、ガス化複合発電システム４を定格出力で運転する場合、必要なガス化剤流量と燃焼用空気流量が多くなることから、ガスジェネレータ部４０の回転数を上昇させ、定格回転数に到達させる。これにより、パワータービン部４２に流入する燃焼ガスの圧力と温度が上昇し、パワータービン部４２の出力が増加することから、ガス化複合発電システム４を定格出力で運転することができる。
【００４３】
上記の構成とすることにより、ガスジェネレータ部４０を可変速運転とすることができるため、ガス化剤圧縮機２４および空気圧縮機１０の効率を損なうことなく、ガス化複合発電システム４の圧力比を低下させることができ、部分負荷運転が可能となる。
【００４４】
また、ガス化剤圧縮機２４の吐出ガスをガス化剤圧縮機２４の入口に還流させるバイパス経路３０を設ける構成としても良い。このような構成とすることにより、ガス化装置２０に導かれるガス化剤の制御性が向上する。
【００４５】
また、ガス化剤圧縮機２４を増速機または減速機を介して空気圧縮機１０と結合して駆動される構成としても良い（図示せず）。このような構成とすることにより、ガス化剤圧縮機２４と空気圧縮機１０の体格が異なる場合であっても、各々を理想的な回転数で設計することが可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１，３，４ ガス化複合発電システム
１０ 空気圧縮機（第１の圧縮機）
１２ 燃焼器
１４ 高圧タービン（第１のタービン）
１６ 低圧タービン（第２のタービン）
１８，２４ ガス化剤圧縮機（第２の圧縮機）
２０ ガス化装置
２２ 増速機
２６ 発電機
３０ バイパス経路
３４ ガス化燃料供給経路
３６ 抽気空気経路
３８ ガス化剤供給経路
４０ ガスジェネレータ部
４２ パワータービン部
４６ 他のプロセス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、
第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、
前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、
前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動され、
前記第１のタービンの後流側に前記第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であること、
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項２】
請求項１記載のガス化複合発電システムにおいて、
前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機とは増速機または減速機を介して結合されていること
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のガス化複合発電システムにおいて、第２の圧縮機で圧縮された酸化剤を第２の圧縮機の入口側に還流させるバイパス流路を有すること
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項４】
ガス化複合発電システムを運転する方法であって、
ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、
第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、
前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、
前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動されるガスジェネレータ部を構成し、
前記第１のタービンの後流側に第２のタービンが配置されており、第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であり、第２のタービンは動力伝達可能に前記発電機に結合されてパワータービン部を構成しているガス化複合発電システムにおいて、
ガス化複合発電システムの部分負荷運転時は定格運転時の回転数よりも低い回転数でガスジェネレータ部を運転し、前記第１と第２の圧縮機出口の流量ないし圧力を定格運転時よりも低下させること、
を特徴とするガス化複合発電システムの運転方法。
【請求項１】
ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、
第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、
前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、
前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動され、
前記第１のタービンの後流側に前記第２のタービンが配置されており、前記第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であること、
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項２】
請求項１記載のガス化複合発電システムにおいて、
前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機とは増速機または減速機を介して結合されていること
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のガス化複合発電システムにおいて、第２の圧縮機で圧縮された酸化剤を第２の圧縮機の入口側に還流させるバイパス流路を有すること
を特徴とするガス化複合発電システム。
【請求項４】
ガス化複合発電システムを運転する方法であって、
ガス化燃料を生成するガス化装置と、
酸化剤を圧縮する第１の圧縮機と、
第１の圧縮機で圧縮された酸化剤の少なくとも一部または外部から供給された酸化剤を圧縮し、ガス化剤として前記ガス化装置へ供給する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された酸化剤と前記ガス化装置から供給される前記ガス化燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に後置接続され、前記高温高圧の燃焼ガスで順次駆動される第１と第２のタービンと、
前記第２のタービンに動力伝達可能に結合される発電機と、を有し、
前記第１と第２の圧縮機と前記第１のタービンは動力伝達可能に連結され、前記第１と第２の圧縮機は前記第１のタービンによって回転駆動されるガスジェネレータ部を構成し、
前記第１のタービンの後流側に第２のタービンが配置されており、第１と第２のタービンは軸系としては結合されておらず、それぞれ異なる回転数で回転可能であり、第２のタービンは動力伝達可能に前記発電機に結合されてパワータービン部を構成しているガス化複合発電システムにおいて、
ガス化複合発電システムの部分負荷運転時は定格運転時の回転数よりも低い回転数でガスジェネレータ部を運転し、前記第１と第２の圧縮機出口の流量ないし圧力を定格運転時よりも低下させること、
を特徴とするガス化複合発電システムの運転方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２０２５１４（Ｐ２０１１−２０２５１４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６７８８３（Ｐ２０１０−６７８８３）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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