熱交換器の運転方法
【課題】熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる実用的な熱交換器の運転方法を提供する。
【解決手段】高炉ガス焚きガスタービン発電プラント１の燃料ガス戻りライン１５を流通する戻りガスを冷却する冷却塔３１で使用する、戻りガスに噴霧するガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器５１に対し、ガス冷却水入口部６１に戻りガス供給管８１を通じて戻りガスを吹き込み、気液混相流を形成させ、該気液混相流をガス冷却水冷却器５１に送り、ガス冷却水冷却器５１の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、ガス冷却水冷却器５１から排出される気液混相流を冷却塔３１へ送る。
【解決手段】高炉ガス焚きガスタービン発電プラント１の燃料ガス戻りライン１５を流通する戻りガスを冷却する冷却塔３１で使用する、戻りガスに噴霧するガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器５１に対し、ガス冷却水入口部６１に戻りガス供給管８１を通じて戻りガスを吹き込み、気液混相流を形成させ、該気液混相流をガス冷却水冷却器５１に送り、ガス冷却水冷却器５１の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、ガス冷却水冷却器５１から排出される気液混相流を冷却塔３１へ送る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体壁を隔てて２つの流体を熱交換する熱交換器の運転方法に関し、特に熱交換器の伝熱面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面へ付着したスケールを除去する熱交換器の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン複合発電プラント２の概略的構成を示すプロセスフロー図である。ガスタービン複合発電プラント２は、ガスタービン発電設備と、汽力発電設備とに大別される。高炉ガス等の低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電設備は、燃料ガスを昇圧する燃料圧縮機３を備え、発熱量が調節された燃料ガスは、燃料圧縮機３で昇圧され、燃焼器５で空気圧縮機７から送られる高圧の空気と混合、燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン９の駆動源となり、ガスタービン９は、空気圧縮機７、燃料圧縮機３を駆動すると共に発電機１１を駆動し、これにより発電を行う。一方、汽力発電設備は、排熱回収ボイラ１０１を備え、排熱回収ボイラ１０１は、ガスタービン９から排気される燃焼ガスから熱回収を行い、蒸気タービン１０３を駆動する。蒸気タービン１０３から排気される蒸気は、復水器１０５で復水となり、復水は給水ポンプ１０７により排熱回収ボイラ１０１へ送られる。
【０００３】
燃料圧縮機３に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、出力が低下し燃焼器５への供給量が減少しても吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン１５を通じて吐出ガス（燃料ガス）の一部を循環運転している。燃料圧縮機３で燃料ガスを圧縮すると、燃料ガスの温度が上昇するため、燃料ガス戻りライン１５に送られた燃料ガスは、燃料ガス戻りライン１５に介装されたガス冷却器２３で冷却され、燃料圧縮機３に返送される。
【０００４】
ガス冷却器２３は、燃料ガス（戻りガス）と冷却水（ガス冷却水）とを直接接触させる直冷式の冷却器であり、冷却水は、ガス冷却水冷却器（図示省略）で冷却され循環使用される。ガス冷却水冷却器は、海水を冷却媒体とする隔壁式の熱交換器であり、海水でガス冷却水を冷却する。戻りガスに含まれる不純物は、ガス冷却水に捕捉され、さらにガス冷却水は循環使用されるため、運転経過と共にガス冷却水に含まれる不純物の濃度が高まる。このようなガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器の伝熱面には、ガス冷却水に含まれる不純物がスケールとなって付着する。このためガス冷却水冷却器は、２基設置され、交互に切換え運転が行われ、スケールが付着したガス冷却水冷却器は、停止中に分解清掃される。このようなガスタービン複合発電プラント２において、短期間内にガス冷却水冷却器が閉塞する場合があり、これが問題となっている。
【０００５】
熱交換器の伝熱面、さらには流路壁面へのスケールの付着は、ガスタービン複合発電プラント２のガス冷却水冷却器によらず、他のプラント、設備で使用する熱交換器においてもよく見られる現象であり、スケールの除去方法としては、分解し高圧水を噴射するなどの機械的除去方法が多く用いられる。この他、薬品を通液し溶解させる方法（例えば特許文献１参照）、伝熱管内に気液混相流を送り込むと同時に超音波を発生させ伝熱管内に付着するスケールを機械的に除去させる方法（例えば特許文献２参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−４２０２６号公報
【特許文献２】特公平５−７８７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱交換器を分解し清掃する方法は、確実な方法であるが多大な労力を必要とする。薬品を通液する方法は、廃液の処理、さらには薬品で洗浄した後の熱交換器の洗浄が大変である。気液混相流を熱交換器に流通させ洗浄する方法は、前記方法と比較すると労力は少なくて済むが、これまで提案されている気液混相流を用いた熱交換器の洗浄方法は、海水側を対象としたものが殆どであり、また洗浄を単独の操作として捉えており、洗浄操作がプラント又はプロセスに及ぼす影響は殆ど検討されていない。このためプラント、プロセスによっては、従来の気液混相流を用いた熱交換器の洗浄方法を使用できない。
【０００８】
例えば、気液混相流を形成するガスには、入手及び取扱いの点から殆どの場合、空気又は窒素ガスが用いられるが、液体が可燃性ガス、又は他のガスが溶解した液体の場合、空気又は窒素ガスを用いることはできない。また特許文献２に記載の発明では、伝熱管を通過した気体を水出口側水室に設けた気体溜に集め、ポンプで排出しているが、液体によっては蒸発し、ガスと一緒に液体の一部が排出してしまう。以上のようにこれまで提案されている熱交換器の清掃方法は、いずれの方法も課題を有しており、さらなる検討、改善が必要である。
【０００９】
本発明の目的は、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる実用的な熱交換器の運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を隔てて熱交換する熱交換器の運転方法であって、熱交換器は、熱交換器の液体入口部にプロセスガスを吹き込むプロセスガス供給ラインを備え、前記プロセスガス供給ラインからプロセスガスを吹き込み、気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器から排出される気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする熱交換器の運転方法である。
【００１１】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記熱交換器は、熱交換器の液体入口部と液体出口部とを結び、液体を液体出口部から熱交換器へ送り熱交換した液体を液体入口部から排出し、排出した液体を液体出口部に戻す逆洗ラインを備え、さらに前記逆洗ラインを介して液体出口部から気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記プロセスガスが可燃性ガス及び／又は毒性ガスを含むことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記気液接触装置が、高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器であり、前記液体が戻りガスを冷却するガス冷却水であり、前記熱交換器が、ガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換する液体中にプロセスガスを吹き込み、気液混相流を形成させ、該気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去するので、熱交換器を分解することなく清掃することができる。また気液混相流の形成にプロセスガスを使用するので、熱交換器から排出される気液混相流を気液接触装置へ送ってもプロセスに悪影響を及ぼさない。このように気液混相流に含まれるガスの処理が不要であり、実プラントにおいて簡単な改造で直ちに実施することができる。特に液体にガスが溶解する場合には、プロセスガスと異なるガスを使用すると溶解したガスを除去する必要が生じるので、このような液体を熱交換する熱交換器に本発明を好適に使用することができる。
【００１６】
また本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器で熱交換された気液混相流を気液接触装置へ送るので、熱交換器の運転を行いながら熱交換器の洗浄を行うことができる。さらに熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防することもできるので非常に好ましい。これから分かるように本発明の熱交換器の運転方法は、非常に実用的である。
【００１７】
また本発明の熱交換器の運転方法は、いわゆる逆洗方向から気液混相流を熱交換器に送ることもできるので、より確実に熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる。この場合も、熱交換後の気液混相流は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置に送られるので、気液混相流に含まれるガスの処理が不要であり、実プラントにおいて簡単な改造で直ちに実施することができる。
【００１８】
一般的に可燃性ガス及び／毒性ガスを取扱う場合、窒素ガスなどに比較して取扱いに注意が必要である。本発明の熱交換器の運転方法では、熱交換された気液混相流は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置に送られるので、気液混相流に含まれるガスの処理が不要である。このためプロセスガスに可燃性ガス及び／毒性ガスが含まれていても安全に運転を行うことができる。
【００１９】
高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器は、冷却水と戻りガスとを直接接触させる冷却器であり、この冷却水は循環使用されるので、この冷却水を冷却するガス冷却水冷却器は、スケールが付着し易いけれども、本発明の熱交換器の運転方法を適用することでガス冷却水冷却器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の一形態としての熱交換器の運転方法を適用する高炉ガス焚きガスタービン発電プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【図２】図１のＡ部の詳細図である。
【図３】図１のガス冷却水冷却器の運転方法を説明するための図である。
【図４】製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン複合発電プラント２の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の熱交換器の運転方法を、高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラントのガス冷却水冷却器に適用する場合を例として説明する。図１は、本発明の実施の一形態としての熱交換器の運転方法を適用する高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【００２２】
まず高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１の概略的構成を説明する。高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１は、図４に示す従来のガスタービン複合発電プラント２と基本的構成を同じくする。図４のガスタービン複合発電プラント２に対応する部分には同一の符号を付す。
【００２３】
高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１は、高炉ガスを燃料とし発電を行うガスタービン発電設備と、ガスタービンから排気される燃焼ガスから熱回収し発電を行う汽力発電設備とに大別される。ここでは増熱用ガスにミックスガスを使用する。
【００２４】
ガスタービン発電設備は、低圧の燃料ガスを所定の圧力まで昇圧する燃料圧縮機３と、高圧の空気を送出する空気圧縮機７、燃料圧縮機３から送られる燃料ガスと空気圧縮機７から送られる空気とを混合、燃焼させ、高温、高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器５、燃焼器５から送出される燃焼ガスで回転駆動されるガスタービン９、ガスタービン９で駆動される発電機１１を備える。燃焼器５の上流側には燃料遮断弁１３を有する。ガスタービン９は、発電機１１を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３及び空気圧縮機７を駆動する。
【００２５】
燃料である高炉ガスは、混合器２７を介して必要に応じてミックスガスと混合され、所定の発熱量に調節された後、湿式電気集塵機２５で除塵され、燃料ライン２９を介して燃料圧縮機３に送られる。燃料圧縮機３に送られる燃料ガスは、圧力が約０．００５ＭＰａ（ａｂｓ）と低いため燃料圧縮機３で所定の圧力まで昇圧された後、燃焼器５に送られる。燃料圧縮機３は、軸流式圧縮機であり、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、発電出力が低下し燃焼器５への燃料ガスの供給量が減少しても、吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、吐出ガス（燃料ガス）の一部を燃料圧縮機３の入口部に返送するための燃料ガス戻りライン１５を備える。
【００２６】
燃料ガス戻りライン１５の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調整するための第１ガス戻量制御弁１７が備えられ、大量の戻りガスを処理するための第２ガス戻量制御弁１９が設けられたバイパスライン２１が連結する。バイパスライン２１に設けられた第２ガス戻量制御弁１９は、第１ガス戻量制御弁１７に比較して、多量の戻りガスを流通させることが可能なため、バイパスライン２１は、ユニットトリップなど流量変動の大きい場合に使用される。
【００２７】
第１ガス戻量制御弁１７の下流には戻りガスを冷却するためのガス冷却器２３が設けられている。ガス冷却器２３は、ガス密度を大きくし、燃料圧縮機３の圧縮効率を高める目的で設置され、戻りガスは所定の温度まで冷却された後、湿式電気集塵機２５の上流側の燃料ライン２９に返送される。
【００２８】
汽力発電設備は、排熱回収ボイラ１０１を備え、排熱回収ボイラ１０１は、ガスタービン９から排気される燃焼ガスから熱回収を行い、蒸気タービン１０３を駆動する。蒸気タービン１０３は、同軸上に配置された発電機１１を駆動し発電を行う。蒸気タービン１０３から排気される蒸気は、復水器１０５で復水となり、給水ポンプ１０７によりボイラ給水として排熱回収ボイラ１０１へ送られる。排熱回収ボイラ１０１で熱を回収され、温度の低下した燃焼ガスは煙突１０９から放出される。
【００２９】
図２は、図１のＡ部詳細図であり、ガス冷却器２３及びガス冷却水冷却器５１、５２周りの配管系統を示す。ガス冷却器２３は、直接接触式の冷却塔３１であり、第１ガス戻量制御弁１７から送られる戻りガスは、冷却塔３１の下方から冷却塔内に入る。冷却塔内には第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５が備え付けられ、戻りガスは第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５より噴霧されるガス冷却水と接触し温度を低下させ、塔頂３７から出る。
【００３０】
一方、第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５から噴霧され、戻りガスと接触したガス冷却水は、戻り冷却水管３９を通じて、冷却塔３１の下部からガス冷却水ピット４１に排出される。ガス冷却水ピット４１は、冷却水供給ライン４３を介してガス冷却水冷却器５１、５２、冷却塔３１と連絡する。ガス冷却水ピット４１に貯留されるガス冷却水は、冷却水供給ライン４３に設けられたガス冷却水ポンプ４５を介して、ガス冷却水冷却器５１、５２に送られ、ここで海水と熱交換し、温度を低下させた後、冷却水供給ライン４３を通じて第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５に送られる。このようにガス冷却水は、戻りガスを冷却する一方で、自身は、ガス冷却水冷却器５１、５２で冷却されながら循環使用される。冷却水供給ライン４３は、ガス冷却水冷却器５１、５２をバイパスするバイパス弁４７が介装されたバイパスライン４９を備える。
【００３１】
ガス冷却水冷却器は、２基設置されており、交互に切換え運転される。ガス冷却水冷却器５１、５２は、プレート式熱交換器であり、海水を冷却媒体とする。海水は、数台の取水ポンプ５３で海水を取水し、復水器１０１に海水を送水する海水供給ライン５５に接続する海水供給ライン５７に設けられたガス冷却海水ポンプ５８を介して供給され、冷却水供給ライン４３を循環するガス冷却水を冷却し、温度が高くなった海水は、海水放出ライン５９を通じて海に戻される。
【００３２】
２基のガス冷却水冷却器５１、５２は、各々、ガス冷却水入口部６１、６２にガス冷却水入口弁６５、６６、ガス冷却水出口部６３、６４にガス冷却水出口弁６７、６８を有し、さらにガス冷却水入口部６１、６２とガス冷却水出口部６３、６４とを結ぶ２本の連絡管６９、７０及び連絡管７１、７２を備える。一方の連絡管７０、７２は、ガス冷却水入口弁６５、６６の下流側とガス冷却水出口弁６７、６８の下流側とを結ぶ。他方の連絡管６９、７１は、ガス冷却水入口弁６５、６６の上流側とガス冷却水出口弁６７、６８の上流側とを結ぶ。連絡管６９、７０、７１、７２には、それぞれ連絡弁７３、７４、７５、７６が設けられている。２本の連絡管６９、７０及び連絡管７１、７２は、ガス冷却水冷却器５１、５２に対しガス冷却水を逆向きに流す逆洗ラインとして機能する。
【００３３】
またガス冷却水入口部６１とガス冷却水冷却器５１との間には、管路の途中にガス供給弁８５を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８１が接続し、ガス冷却水出口部６３とガス冷却水冷却器５１との間には、管路の途中にガス供給弁８６を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８２が接続する。同様にガス冷却水入口部６２とガス冷却水冷却器５２との間には、管路の途中にガス供給弁８７を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８３が接続し、ガス冷却水出口部６４とガス冷却水冷却器５２との間には、管路の途中にガス供給弁８８を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８４が接続する。この戻りガス供給管８１、８２、８３、８４は、第１ガス戻量制御弁１７の上流側の燃料ガス戻りライン１５に接続する戻りガス供給管８９から分岐する。
【００３４】
ガス冷却器２３で冷却する戻りガスは、燃料圧縮機３で昇圧された燃料ガスであり、燃料ガスは湿式電気集塵機２９で除塵されるため戻りガスに含まれるダスト等は非常に少ないが、戻りガスを冷却するガス冷却水は、部分的な入れ替えが行われるものの、基本的には循環使用されるため運転時間とともにガス冷却水中のダスト濃度が高くなる。このようなガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器５１、５２であるプレート式熱交換器は、複数枚の伝熱プレートを有し、隣りあう伝熱プレートの間をガス冷却水、海水が交互に流れ熱交換を行う熱交換器であり、伝熱プレートの間隔が狭いため、ガス冷却水が流れる伝熱プレートの表面（伝熱面）及びガス冷却水供給路（以下単に流路と記す）の壁面には、ダストが付着、成長しスケールとなりやすい。
【００３５】
本実施形態では、ガス冷却水冷却器５１、５２を次の要領で運転することで、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、付着したスケールを除去する。図３は、ガス冷却水冷却器の運転要領を説明するための図である。ここで、ガス冷却水冷却器５１が運転中であり、他方のガス冷却水冷却器５２は停止中である。
【００３６】
図３（ａ）は、順方向からガス冷却水を送るケースであり、通常運転時のガス冷却水の流れと同じである。ガス冷却水入口部６１からガス冷却水をガス冷却水冷却器（プレート式熱交換器）５１に送るとき、同時に短時間、戻りガス供給管８１から戻りガスを送り込む。送り込まれた戻りガスは、ガス冷却水入口部６１でガス冷却水に分散し、気液混相流（気液二相流）を形成し、気液混相流はプレート式熱交換器５１に送られる。プレート式熱交換器５１に送られる気液混相流は、ガス冷却水のみの場合に比較して、容量が大きくなるので、伝熱プレートの間及び流路を通過する流速が速くなり、さらには乱れも大きくなるので、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、又は付着したスケールを除去することができる。プレート式熱交換器５１に送られた気液混相流は、海水と熱交換し温度を低下させ、ガス冷却水出口部６３、さらには冷却水供給ライン４３を通じて冷却塔３１へ送られる。ガス冷却水入口部６１に戻りガスを吹き込むことを除けば、通常運転と変わりはない。
【００３７】
ガス冷却水に戻りガスを吹き込み気液混相流を形成させ、プレート式熱交換器５１に送り込むタイミングは、ガス冷却水の汚れ等に応じて適宜選択することができる。例えば、ガス冷却水のみをプレート式熱交換器５１に送る通常運転中に定期的に、例えば、数時間毎に１回当たり５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込む。この方法は、プレート式熱交換器５１の伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去するよりも、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着しないようにする予防的な意味合いが強い。ガス冷却水の汚れがひどく、プレート式熱交換器５１の伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが発生し易いと判断される場合には、気液混相流の供給頻度を多くし及び／又は供給時間を長くすればよい。
【００３８】
またプレート式熱交換器５１の圧力損失を検知し、圧力損失が所定値に達すると、気液混相流を送るようにしてもよい。ガス冷却水ポンプ４５の吐出部には、圧力検出器４６が、冷却塔３１の入口部の冷却水供給ライン４３にも圧力検出器４４が設けられているので、プレート式熱交換器５１の圧力損失は、ガス冷却水ポンプ４５の吐出圧の上昇、又は冷却塔３１の入口部の冷却水供給ライン４３の圧力の低下から容易に検知することができる。プレート式熱交換器５１の圧力損失が所定値に達したことを検知すると、例えば、５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込むことを１セットとし、圧力損失の回復具合に応じて、これを数セット繰り返す。この場合も、通常運転と同様に気液混相流は、プレート式熱交換器５１で冷却された後に、冷却塔３１に送られる。
【００３９】
プレート式熱交換器５１で熱交換された気液混相流は、いずれの場合も冷却塔３１に送られガス冷却水として戻りガスを冷却する。ガス冷却水に窒素ガスを吹き込み気液混相流とした場合、冷却塔３１から排出される戻りガスに窒素ガスが混入するため、燃料ガスの発熱量が変化してしまい好ましくない。また気液混相流を形成するに使用するガスは、ガス冷却水入口部６１におけるガス冷却水以上の圧力が必要であり、窒素ガスを使用する場合にはこのような窒素ガスを準備する必要がある。
【００４０】
本実施形態では、プロセスガスである戻りガスを用いて気液混相流を形成させるので、燃料ガスの発熱量の変化の問題はない。さらに第１ガス戻量制御弁１７の上流側の燃料ガス戻りライン１５の圧力は、１．５ＭＰａ程度の圧力があるので、圧力的にも問題はない。温度は４００℃近くあるが、ガス冷却水に吹き込む量が少なく、熱容量もガス冷却水に比較して圧倒的に小さく、さらにガス冷却水に戻りガスを吹き込む際、断熱膨張して温度が低下するので、ガス冷却水の温度上昇を心配する必要はない。ガスの吹き込み量を多くする場合、気液混相流を頻繁にプレート式熱交換器５１に送る場合であって、戻りガスをガス冷却水に吹き込むと温度が上昇することが懸念される場合は、別途、冷却器で冷却した後にガス冷却水に吹き込めばよい。
【００４１】
さらに熱交換された気液混相流を冷却塔３１へ戻すと、これに含まれるスケール、ダスト等の処理が問題となるが、循環使用しているガス冷却水自身がダストを含んでいるので、特別な処理をすることなく冷却塔３１に戻すことができる。なお、プレート式熱交換器５１から排出される気液混相流に大きなスケールが含まれる場合には、冷却塔３１の入口の冷却水供給ライン４３にストレーナを設けてもよい。ここで使用するストレーナは公知のストレーナでよく、ストレーナを２台設け、切換え式としてもよい。
【００４２】
図３（ｂ）を用いて、ガス冷却水冷却器（プレート式熱交換器）５１の他の運転方法を説明する。ここではプレート式熱交換器５１が運転中であり、他方のプレート式熱交換器５２は停止中である。ここに示すガス冷却水冷却器の運転方法は、通常方向とは逆向き、いわゆる逆洗方向からガス冷却水を流す。このとき同時に戻りガス供給管８２から戻りガスを送り込み、気液混相流をガス冷却水出口部６３からプレート式熱交換器５１に送る。プレート式熱交換器５１で熱交換された気液混相流は、ガス冷却水入口部６１から排出され、連絡管７０を通じてガス冷却水出口部６７に送られ、通常のガス冷却水の流れと同様に冷却塔３１に送られる。この運転のタイミングは、例えば、通常運転中に定期的に、順方向から逆方向にラインを切替え、数時間毎に１回当たり５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込む。また順方向から気液混相流を送る場合と同様に、プレート式熱交換器５１の圧力損失が上昇した場合にこのような運転方法を採用してもよい。さらには、プレート式熱交換器５１の圧力損失が上昇した場合に、順方向からの気液混相流の供給操作と、逆方向からの気液混相流の供給操作とを併用してもよい。
【００４３】
上記実施形態では、プレート式熱交換器５１の通常運転時に間欠的に気液混相流を送り、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、付着したスケールを除去することを示したが、停止中のプレート式熱交換器５２に気液混相流を送り伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去することもできる。この場合は、一方のプレート式熱交換器５１は、通常運転を行い、同時に停止中のプレート式熱交換器５２に気液混相流を送り込み伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去すればよい。
【００４４】
本実施形態に示すプレート式熱交換器５１、５２は、２基のプレート式熱交換器が独立して運転できるように構成され、さらに各ラインに設けられた弁も電動弁であるので、運転変更も容易である。また公知のコントローラ、例えばプログラマブルロジックコントローラを用いれば自動運転も容易に行うことができる。なお、本実施形態では、戻りガス供給管８１、８２，８３、８４がガス冷却水入口部６１、６２及びガス冷却水出口部６３、６４にそれぞれ接続されているが、ガス冷却水入口弁６５、６６の上流側に戻りガス供給管８１、８３を接続することで、ガス冷却水出口部６３、６４に接続する戻りガス供給管８２、８４を省略してもよい。
【００４５】
上記実施形態を用いて説明したように本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換器の通常運転中であっても、運転を継続しながら熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面を清掃することができ、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防することもできるので、幅広い熱交換器に適用することができる。また気液混相流の形成にプロセスガスを使用するので、熱交換器から排出される気液混相流を気液接触装置へ送ってもプロセス、プラントに悪影響を及ぼさず、実プラントで適用し易い実用的な方法と言える。また熱交換器から排出される気液混相流は、含まれるガスを処理することなく気液接触装置へそのまま送ることができるので、本実施形態の高炉ガスのように一酸化炭素を多く含んでいても安全である。
【００４６】
公知のように気液混相流は、流速や流れ方向により流動状態が異なることが知られており、気相と液相とが共に連続相である分離流、液プラグと気泡プラグ、小気泡と液スラグと気泡スラグとが交互に流れる間けつ流、中心部をガスが流れその周囲を液が流れる環状流、液中に小気泡が分散した分散流などに分類される。本発明では、気液混相流は、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去することを目的に熱交換器に供給するのであるから、気液混相流は、伝熱面などに付着したスケールを剥離する能力に優れるものが好ましい。このような気液混相流として、通常、分散流が使用されるが、対象とする熱交換器、スケールに応じて間けつ流を使用してもよい。
【００４７】
気液混相流を分散流とする場合、その方法も特に限定されないので、上記実施形態の場合、例えば、ガス冷却水入口部６１に吹き込む戻りガスを、ガス冷却水入口部６１の円周複数方向から吹き込めばよい。またガス冷却水入口部６１に接続する戻りガス供給管８１の先端部に吹き込みノズルを設け、この吹き込みノズルをガス冷却水入口部６１の配管内に設置するようにしてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、ガス冷却水冷却器としてプレート式熱交換器５１を使用する例を示したが、ガス冷却水冷却器は、多管式熱交換器など他の隔壁式熱交換器であってもよいことは言うまでもない。また上記実施形態では具体的な数値が示されているが、使用する設備が異なれば数値も異なることは当然に予想され、本発明は本実施形態に示す数値に限定されるものではない。また本発明の熱交換器の運転方法を適用可能な熱交換器は、高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１のガス冷却水冷却器５１に限定されるものではない。液体とプロセスガスとを直接接触させる気液接触装置を備え、この気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を介して熱交換する隔壁式の熱交換器であれば本発明の熱交換器の運転方法を使用することができる。気液接触装置も冷却装置に限定されるものではなく、ガスを洗浄する洗浄装置、ガスと液体とを接触させガスを加熱する加熱装置であってもよい。また液体も水に限定されるものではなく、有機溶剤、石油などの可燃性液体などであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１ 高炉ガス焚きガスタービン発電プラント
２ ガスタービン複合発電プラント
３ 燃料圧縮機
１５ 燃料ガス戻りライン
２３ ガス冷却器
３１ 冷却塔
４３ 冷却水供給ライン
４５ ガス冷却水ポンプ
５１ ガス冷却水冷却器、プレート式熱交換器
５２ ガス冷却水冷却器、プレート式熱交換器
６１、６２ ガス冷却水入口部
６３、６４ ガス冷却水出口部
６５、６６ ガス冷却水入口弁
６７、６８ ガス冷却水出口弁
６９、７０、７１、７２ 連絡管
７３、７４、７５、７６ 連絡弁
８１、８２、８３、８４ 戻りガス供給管
８５、８６、８７、８８ ガス供給弁
８９ 戻りガス供給管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体壁を隔てて２つの流体を熱交換する熱交換器の運転方法に関し、特に熱交換器の伝熱面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面へ付着したスケールを除去する熱交換器の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン複合発電プラント２の概略的構成を示すプロセスフロー図である。ガスタービン複合発電プラント２は、ガスタービン発電設備と、汽力発電設備とに大別される。高炉ガス等の低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電設備は、燃料ガスを昇圧する燃料圧縮機３を備え、発熱量が調節された燃料ガスは、燃料圧縮機３で昇圧され、燃焼器５で空気圧縮機７から送られる高圧の空気と混合、燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン９の駆動源となり、ガスタービン９は、空気圧縮機７、燃料圧縮機３を駆動すると共に発電機１１を駆動し、これにより発電を行う。一方、汽力発電設備は、排熱回収ボイラ１０１を備え、排熱回収ボイラ１０１は、ガスタービン９から排気される燃焼ガスから熱回収を行い、蒸気タービン１０３を駆動する。蒸気タービン１０３から排気される蒸気は、復水器１０５で復水となり、復水は給水ポンプ１０７により排熱回収ボイラ１０１へ送られる。
【０００３】
燃料圧縮機３に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、出力が低下し燃焼器５への供給量が減少しても吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン１５を通じて吐出ガス（燃料ガス）の一部を循環運転している。燃料圧縮機３で燃料ガスを圧縮すると、燃料ガスの温度が上昇するため、燃料ガス戻りライン１５に送られた燃料ガスは、燃料ガス戻りライン１５に介装されたガス冷却器２３で冷却され、燃料圧縮機３に返送される。
【０００４】
ガス冷却器２３は、燃料ガス（戻りガス）と冷却水（ガス冷却水）とを直接接触させる直冷式の冷却器であり、冷却水は、ガス冷却水冷却器（図示省略）で冷却され循環使用される。ガス冷却水冷却器は、海水を冷却媒体とする隔壁式の熱交換器であり、海水でガス冷却水を冷却する。戻りガスに含まれる不純物は、ガス冷却水に捕捉され、さらにガス冷却水は循環使用されるため、運転経過と共にガス冷却水に含まれる不純物の濃度が高まる。このようなガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器の伝熱面には、ガス冷却水に含まれる不純物がスケールとなって付着する。このためガス冷却水冷却器は、２基設置され、交互に切換え運転が行われ、スケールが付着したガス冷却水冷却器は、停止中に分解清掃される。このようなガスタービン複合発電プラント２において、短期間内にガス冷却水冷却器が閉塞する場合があり、これが問題となっている。
【０００５】
熱交換器の伝熱面、さらには流路壁面へのスケールの付着は、ガスタービン複合発電プラント２のガス冷却水冷却器によらず、他のプラント、設備で使用する熱交換器においてもよく見られる現象であり、スケールの除去方法としては、分解し高圧水を噴射するなどの機械的除去方法が多く用いられる。この他、薬品を通液し溶解させる方法（例えば特許文献１参照）、伝熱管内に気液混相流を送り込むと同時に超音波を発生させ伝熱管内に付着するスケールを機械的に除去させる方法（例えば特許文献２参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−４２０２６号公報
【特許文献２】特公平５−７８７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱交換器を分解し清掃する方法は、確実な方法であるが多大な労力を必要とする。薬品を通液する方法は、廃液の処理、さらには薬品で洗浄した後の熱交換器の洗浄が大変である。気液混相流を熱交換器に流通させ洗浄する方法は、前記方法と比較すると労力は少なくて済むが、これまで提案されている気液混相流を用いた熱交換器の洗浄方法は、海水側を対象としたものが殆どであり、また洗浄を単独の操作として捉えており、洗浄操作がプラント又はプロセスに及ぼす影響は殆ど検討されていない。このためプラント、プロセスによっては、従来の気液混相流を用いた熱交換器の洗浄方法を使用できない。
【０００８】
例えば、気液混相流を形成するガスには、入手及び取扱いの点から殆どの場合、空気又は窒素ガスが用いられるが、液体が可燃性ガス、又は他のガスが溶解した液体の場合、空気又は窒素ガスを用いることはできない。また特許文献２に記載の発明では、伝熱管を通過した気体を水出口側水室に設けた気体溜に集め、ポンプで排出しているが、液体によっては蒸発し、ガスと一緒に液体の一部が排出してしまう。以上のようにこれまで提案されている熱交換器の清掃方法は、いずれの方法も課題を有しており、さらなる検討、改善が必要である。
【０００９】
本発明の目的は、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる実用的な熱交換器の運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を隔てて熱交換する熱交換器の運転方法であって、熱交換器は、熱交換器の液体入口部にプロセスガスを吹き込むプロセスガス供給ラインを備え、前記プロセスガス供給ラインからプロセスガスを吹き込み、気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器から排出される気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする熱交換器の運転方法である。
【００１１】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記熱交換器は、熱交換器の液体入口部と液体出口部とを結び、液体を液体出口部から熱交換器へ送り熱交換した液体を液体入口部から排出し、排出した液体を液体出口部に戻す逆洗ラインを備え、さらに前記逆洗ラインを介して液体出口部から気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記プロセスガスが可燃性ガス及び／又は毒性ガスを含むことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記熱交換器の運転方法において、前記気液接触装置が、高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器であり、前記液体が戻りガスを冷却するガス冷却水であり、前記熱交換器が、ガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換する液体中にプロセスガスを吹き込み、気液混相流を形成させ、該気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去するので、熱交換器を分解することなく清掃することができる。また気液混相流の形成にプロセスガスを使用するので、熱交換器から排出される気液混相流を気液接触装置へ送ってもプロセスに悪影響を及ぼさない。このように気液混相流に含まれるガスの処理が不要であり、実プラントにおいて簡単な改造で直ちに実施することができる。特に液体にガスが溶解する場合には、プロセスガスと異なるガスを使用すると溶解したガスを除去する必要が生じるので、このような液体を熱交換する熱交換器に本発明を好適に使用することができる。
【００１６】
また本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器で熱交換された気液混相流を気液接触装置へ送るので、熱交換器の運転を行いながら熱交換器の洗浄を行うことができる。さらに熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防することもできるので非常に好ましい。これから分かるように本発明の熱交換器の運転方法は、非常に実用的である。
【００１７】
また本発明の熱交換器の運転方法は、いわゆる逆洗方向から気液混相流を熱交換器に送ることもできるので、より確実に熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる。この場合も、熱交換後の気液混相流は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置に送られるので、気液混相流に含まれるガスの処理が不要であり、実プラントにおいて簡単な改造で直ちに実施することができる。
【００１８】
一般的に可燃性ガス及び／毒性ガスを取扱う場合、窒素ガスなどに比較して取扱いに注意が必要である。本発明の熱交換器の運転方法では、熱交換された気液混相流は、プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置に送られるので、気液混相流に含まれるガスの処理が不要である。このためプロセスガスに可燃性ガス及び／毒性ガスが含まれていても安全に運転を行うことができる。
【００１９】
高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器は、冷却水と戻りガスとを直接接触させる冷却器であり、この冷却水は循環使用されるので、この冷却水を冷却するガス冷却水冷却器は、スケールが付着し易いけれども、本発明の熱交換器の運転方法を適用することでガス冷却水冷却器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の一形態としての熱交換器の運転方法を適用する高炉ガス焚きガスタービン発電プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【図２】図１のＡ部の詳細図である。
【図３】図１のガス冷却水冷却器の運転方法を説明するための図である。
【図４】製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン複合発電プラント２の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の熱交換器の運転方法を、高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラントのガス冷却水冷却器に適用する場合を例として説明する。図１は、本発明の実施の一形態としての熱交換器の運転方法を適用する高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【００２２】
まず高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１の概略的構成を説明する。高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１は、図４に示す従来のガスタービン複合発電プラント２と基本的構成を同じくする。図４のガスタービン複合発電プラント２に対応する部分には同一の符号を付す。
【００２３】
高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１は、高炉ガスを燃料とし発電を行うガスタービン発電設備と、ガスタービンから排気される燃焼ガスから熱回収し発電を行う汽力発電設備とに大別される。ここでは増熱用ガスにミックスガスを使用する。
【００２４】
ガスタービン発電設備は、低圧の燃料ガスを所定の圧力まで昇圧する燃料圧縮機３と、高圧の空気を送出する空気圧縮機７、燃料圧縮機３から送られる燃料ガスと空気圧縮機７から送られる空気とを混合、燃焼させ、高温、高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器５、燃焼器５から送出される燃焼ガスで回転駆動されるガスタービン９、ガスタービン９で駆動される発電機１１を備える。燃焼器５の上流側には燃料遮断弁１３を有する。ガスタービン９は、発電機１１を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３及び空気圧縮機７を駆動する。
【００２５】
燃料である高炉ガスは、混合器２７を介して必要に応じてミックスガスと混合され、所定の発熱量に調節された後、湿式電気集塵機２５で除塵され、燃料ライン２９を介して燃料圧縮機３に送られる。燃料圧縮機３に送られる燃料ガスは、圧力が約０．００５ＭＰａ（ａｂｓ）と低いため燃料圧縮機３で所定の圧力まで昇圧された後、燃焼器５に送られる。燃料圧縮機３は、軸流式圧縮機であり、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、発電出力が低下し燃焼器５への燃料ガスの供給量が減少しても、吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、吐出ガス（燃料ガス）の一部を燃料圧縮機３の入口部に返送するための燃料ガス戻りライン１５を備える。
【００２６】
燃料ガス戻りライン１５の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調整するための第１ガス戻量制御弁１７が備えられ、大量の戻りガスを処理するための第２ガス戻量制御弁１９が設けられたバイパスライン２１が連結する。バイパスライン２１に設けられた第２ガス戻量制御弁１９は、第１ガス戻量制御弁１７に比較して、多量の戻りガスを流通させることが可能なため、バイパスライン２１は、ユニットトリップなど流量変動の大きい場合に使用される。
【００２７】
第１ガス戻量制御弁１７の下流には戻りガスを冷却するためのガス冷却器２３が設けられている。ガス冷却器２３は、ガス密度を大きくし、燃料圧縮機３の圧縮効率を高める目的で設置され、戻りガスは所定の温度まで冷却された後、湿式電気集塵機２５の上流側の燃料ライン２９に返送される。
【００２８】
汽力発電設備は、排熱回収ボイラ１０１を備え、排熱回収ボイラ１０１は、ガスタービン９から排気される燃焼ガスから熱回収を行い、蒸気タービン１０３を駆動する。蒸気タービン１０３は、同軸上に配置された発電機１１を駆動し発電を行う。蒸気タービン１０３から排気される蒸気は、復水器１０５で復水となり、給水ポンプ１０７によりボイラ給水として排熱回収ボイラ１０１へ送られる。排熱回収ボイラ１０１で熱を回収され、温度の低下した燃焼ガスは煙突１０９から放出される。
【００２９】
図２は、図１のＡ部詳細図であり、ガス冷却器２３及びガス冷却水冷却器５１、５２周りの配管系統を示す。ガス冷却器２３は、直接接触式の冷却塔３１であり、第１ガス戻量制御弁１７から送られる戻りガスは、冷却塔３１の下方から冷却塔内に入る。冷却塔内には第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５が備え付けられ、戻りガスは第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５より噴霧されるガス冷却水と接触し温度を低下させ、塔頂３７から出る。
【００３０】
一方、第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５から噴霧され、戻りガスと接触したガス冷却水は、戻り冷却水管３９を通じて、冷却塔３１の下部からガス冷却水ピット４１に排出される。ガス冷却水ピット４１は、冷却水供給ライン４３を介してガス冷却水冷却器５１、５２、冷却塔３１と連絡する。ガス冷却水ピット４１に貯留されるガス冷却水は、冷却水供給ライン４３に設けられたガス冷却水ポンプ４５を介して、ガス冷却水冷却器５１、５２に送られ、ここで海水と熱交換し、温度を低下させた後、冷却水供給ライン４３を通じて第１スプレーノズル３３、第２スプレーノズル３５に送られる。このようにガス冷却水は、戻りガスを冷却する一方で、自身は、ガス冷却水冷却器５１、５２で冷却されながら循環使用される。冷却水供給ライン４３は、ガス冷却水冷却器５１、５２をバイパスするバイパス弁４７が介装されたバイパスライン４９を備える。
【００３１】
ガス冷却水冷却器は、２基設置されており、交互に切換え運転される。ガス冷却水冷却器５１、５２は、プレート式熱交換器であり、海水を冷却媒体とする。海水は、数台の取水ポンプ５３で海水を取水し、復水器１０１に海水を送水する海水供給ライン５５に接続する海水供給ライン５７に設けられたガス冷却海水ポンプ５８を介して供給され、冷却水供給ライン４３を循環するガス冷却水を冷却し、温度が高くなった海水は、海水放出ライン５９を通じて海に戻される。
【００３２】
２基のガス冷却水冷却器５１、５２は、各々、ガス冷却水入口部６１、６２にガス冷却水入口弁６５、６６、ガス冷却水出口部６３、６４にガス冷却水出口弁６７、６８を有し、さらにガス冷却水入口部６１、６２とガス冷却水出口部６３、６４とを結ぶ２本の連絡管６９、７０及び連絡管７１、７２を備える。一方の連絡管７０、７２は、ガス冷却水入口弁６５、６６の下流側とガス冷却水出口弁６７、６８の下流側とを結ぶ。他方の連絡管６９、７１は、ガス冷却水入口弁６５、６６の上流側とガス冷却水出口弁６７、６８の上流側とを結ぶ。連絡管６９、７０、７１、７２には、それぞれ連絡弁７３、７４、７５、７６が設けられている。２本の連絡管６９、７０及び連絡管７１、７２は、ガス冷却水冷却器５１、５２に対しガス冷却水を逆向きに流す逆洗ラインとして機能する。
【００３３】
またガス冷却水入口部６１とガス冷却水冷却器５１との間には、管路の途中にガス供給弁８５を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８１が接続し、ガス冷却水出口部６３とガス冷却水冷却器５１との間には、管路の途中にガス供給弁８６を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８２が接続する。同様にガス冷却水入口部６２とガス冷却水冷却器５２との間には、管路の途中にガス供給弁８７を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８３が接続し、ガス冷却水出口部６４とガス冷却水冷却器５２との間には、管路の途中にガス供給弁８８を備える戻りガスを供給する戻りガス供給管８４が接続する。この戻りガス供給管８１、８２、８３、８４は、第１ガス戻量制御弁１７の上流側の燃料ガス戻りライン１５に接続する戻りガス供給管８９から分岐する。
【００３４】
ガス冷却器２３で冷却する戻りガスは、燃料圧縮機３で昇圧された燃料ガスであり、燃料ガスは湿式電気集塵機２９で除塵されるため戻りガスに含まれるダスト等は非常に少ないが、戻りガスを冷却するガス冷却水は、部分的な入れ替えが行われるものの、基本的には循環使用されるため運転時間とともにガス冷却水中のダスト濃度が高くなる。このようなガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器５１、５２であるプレート式熱交換器は、複数枚の伝熱プレートを有し、隣りあう伝熱プレートの間をガス冷却水、海水が交互に流れ熱交換を行う熱交換器であり、伝熱プレートの間隔が狭いため、ガス冷却水が流れる伝熱プレートの表面（伝熱面）及びガス冷却水供給路（以下単に流路と記す）の壁面には、ダストが付着、成長しスケールとなりやすい。
【００３５】
本実施形態では、ガス冷却水冷却器５１、５２を次の要領で運転することで、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、付着したスケールを除去する。図３は、ガス冷却水冷却器の運転要領を説明するための図である。ここで、ガス冷却水冷却器５１が運転中であり、他方のガス冷却水冷却器５２は停止中である。
【００３６】
図３（ａ）は、順方向からガス冷却水を送るケースであり、通常運転時のガス冷却水の流れと同じである。ガス冷却水入口部６１からガス冷却水をガス冷却水冷却器（プレート式熱交換器）５１に送るとき、同時に短時間、戻りガス供給管８１から戻りガスを送り込む。送り込まれた戻りガスは、ガス冷却水入口部６１でガス冷却水に分散し、気液混相流（気液二相流）を形成し、気液混相流はプレート式熱交換器５１に送られる。プレート式熱交換器５１に送られる気液混相流は、ガス冷却水のみの場合に比較して、容量が大きくなるので、伝熱プレートの間及び流路を通過する流速が速くなり、さらには乱れも大きくなるので、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、又は付着したスケールを除去することができる。プレート式熱交換器５１に送られた気液混相流は、海水と熱交換し温度を低下させ、ガス冷却水出口部６３、さらには冷却水供給ライン４３を通じて冷却塔３１へ送られる。ガス冷却水入口部６１に戻りガスを吹き込むことを除けば、通常運転と変わりはない。
【００３７】
ガス冷却水に戻りガスを吹き込み気液混相流を形成させ、プレート式熱交換器５１に送り込むタイミングは、ガス冷却水の汚れ等に応じて適宜選択することができる。例えば、ガス冷却水のみをプレート式熱交換器５１に送る通常運転中に定期的に、例えば、数時間毎に１回当たり５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込む。この方法は、プレート式熱交換器５１の伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去するよりも、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着しないようにする予防的な意味合いが強い。ガス冷却水の汚れがひどく、プレート式熱交換器５１の伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが発生し易いと判断される場合には、気液混相流の供給頻度を多くし及び／又は供給時間を長くすればよい。
【００３８】
またプレート式熱交換器５１の圧力損失を検知し、圧力損失が所定値に達すると、気液混相流を送るようにしてもよい。ガス冷却水ポンプ４５の吐出部には、圧力検出器４６が、冷却塔３１の入口部の冷却水供給ライン４３にも圧力検出器４４が設けられているので、プレート式熱交換器５１の圧力損失は、ガス冷却水ポンプ４５の吐出圧の上昇、又は冷却塔３１の入口部の冷却水供給ライン４３の圧力の低下から容易に検知することができる。プレート式熱交換器５１の圧力損失が所定値に達したことを検知すると、例えば、５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込むことを１セットとし、圧力損失の回復具合に応じて、これを数セット繰り返す。この場合も、通常運転と同様に気液混相流は、プレート式熱交換器５１で冷却された後に、冷却塔３１に送られる。
【００３９】
プレート式熱交換器５１で熱交換された気液混相流は、いずれの場合も冷却塔３１に送られガス冷却水として戻りガスを冷却する。ガス冷却水に窒素ガスを吹き込み気液混相流とした場合、冷却塔３１から排出される戻りガスに窒素ガスが混入するため、燃料ガスの発熱量が変化してしまい好ましくない。また気液混相流を形成するに使用するガスは、ガス冷却水入口部６１におけるガス冷却水以上の圧力が必要であり、窒素ガスを使用する場合にはこのような窒素ガスを準備する必要がある。
【００４０】
本実施形態では、プロセスガスである戻りガスを用いて気液混相流を形成させるので、燃料ガスの発熱量の変化の問題はない。さらに第１ガス戻量制御弁１７の上流側の燃料ガス戻りライン１５の圧力は、１．５ＭＰａ程度の圧力があるので、圧力的にも問題はない。温度は４００℃近くあるが、ガス冷却水に吹き込む量が少なく、熱容量もガス冷却水に比較して圧倒的に小さく、さらにガス冷却水に戻りガスを吹き込む際、断熱膨張して温度が低下するので、ガス冷却水の温度上昇を心配する必要はない。ガスの吹き込み量を多くする場合、気液混相流を頻繁にプレート式熱交換器５１に送る場合であって、戻りガスをガス冷却水に吹き込むと温度が上昇することが懸念される場合は、別途、冷却器で冷却した後にガス冷却水に吹き込めばよい。
【００４１】
さらに熱交換された気液混相流を冷却塔３１へ戻すと、これに含まれるスケール、ダスト等の処理が問題となるが、循環使用しているガス冷却水自身がダストを含んでいるので、特別な処理をすることなく冷却塔３１に戻すことができる。なお、プレート式熱交換器５１から排出される気液混相流に大きなスケールが含まれる場合には、冷却塔３１の入口の冷却水供給ライン４３にストレーナを設けてもよい。ここで使用するストレーナは公知のストレーナでよく、ストレーナを２台設け、切換え式としてもよい。
【００４２】
図３（ｂ）を用いて、ガス冷却水冷却器（プレート式熱交換器）５１の他の運転方法を説明する。ここではプレート式熱交換器５１が運転中であり、他方のプレート式熱交換器５２は停止中である。ここに示すガス冷却水冷却器の運転方法は、通常方向とは逆向き、いわゆる逆洗方向からガス冷却水を流す。このとき同時に戻りガス供給管８２から戻りガスを送り込み、気液混相流をガス冷却水出口部６３からプレート式熱交換器５１に送る。プレート式熱交換器５１で熱交換された気液混相流は、ガス冷却水入口部６１から排出され、連絡管７０を通じてガス冷却水出口部６７に送られ、通常のガス冷却水の流れと同様に冷却塔３１に送られる。この運転のタイミングは、例えば、通常運転中に定期的に、順方向から逆方向にラインを切替え、数時間毎に１回当たり５秒間程度の気液混相流を１０秒間間隔で１０回程度送り込む。また順方向から気液混相流を送る場合と同様に、プレート式熱交換器５１の圧力損失が上昇した場合にこのような運転方法を採用してもよい。さらには、プレート式熱交換器５１の圧力損失が上昇した場合に、順方向からの気液混相流の供給操作と、逆方向からの気液混相流の供給操作とを併用してもよい。
【００４３】
上記実施形態では、プレート式熱交換器５１の通常運転時に間欠的に気液混相流を送り、伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防し、付着したスケールを除去することを示したが、停止中のプレート式熱交換器５２に気液混相流を送り伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去することもできる。この場合は、一方のプレート式熱交換器５１は、通常運転を行い、同時に停止中のプレート式熱交換器５２に気液混相流を送り込み伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去すればよい。
【００４４】
本実施形態に示すプレート式熱交換器５１、５２は、２基のプレート式熱交換器が独立して運転できるように構成され、さらに各ラインに設けられた弁も電動弁であるので、運転変更も容易である。また公知のコントローラ、例えばプログラマブルロジックコントローラを用いれば自動運転も容易に行うことができる。なお、本実施形態では、戻りガス供給管８１、８２，８３、８４がガス冷却水入口部６１、６２及びガス冷却水出口部６３、６４にそれぞれ接続されているが、ガス冷却水入口弁６５、６６の上流側に戻りガス供給管８１、８３を接続することで、ガス冷却水出口部６３、６４に接続する戻りガス供給管８２、８４を省略してもよい。
【００４５】
上記実施形態を用いて説明したように本発明の熱交換器の運転方法は、熱交換器の通常運転中であっても、運転を継続しながら熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面を清掃することができ、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面にスケールが付着することを予防することもできるので、幅広い熱交換器に適用することができる。また気液混相流の形成にプロセスガスを使用するので、熱交換器から排出される気液混相流を気液接触装置へ送ってもプロセス、プラントに悪影響を及ぼさず、実プラントで適用し易い実用的な方法と言える。また熱交換器から排出される気液混相流は、含まれるガスを処理することなく気液接触装置へそのまま送ることができるので、本実施形態の高炉ガスのように一酸化炭素を多く含んでいても安全である。
【００４６】
公知のように気液混相流は、流速や流れ方向により流動状態が異なることが知られており、気相と液相とが共に連続相である分離流、液プラグと気泡プラグ、小気泡と液スラグと気泡スラグとが交互に流れる間けつ流、中心部をガスが流れその周囲を液が流れる環状流、液中に小気泡が分散した分散流などに分類される。本発明では、気液混相流は、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、又は伝熱面及び／又は流路壁面に付着したスケールを除去することを目的に熱交換器に供給するのであるから、気液混相流は、伝熱面などに付着したスケールを剥離する能力に優れるものが好ましい。このような気液混相流として、通常、分散流が使用されるが、対象とする熱交換器、スケールに応じて間けつ流を使用してもよい。
【００４７】
気液混相流を分散流とする場合、その方法も特に限定されないので、上記実施形態の場合、例えば、ガス冷却水入口部６１に吹き込む戻りガスを、ガス冷却水入口部６１の円周複数方向から吹き込めばよい。またガス冷却水入口部６１に接続する戻りガス供給管８１の先端部に吹き込みノズルを設け、この吹き込みノズルをガス冷却水入口部６１の配管内に設置するようにしてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、ガス冷却水冷却器としてプレート式熱交換器５１を使用する例を示したが、ガス冷却水冷却器は、多管式熱交換器など他の隔壁式熱交換器であってもよいことは言うまでもない。また上記実施形態では具体的な数値が示されているが、使用する設備が異なれば数値も異なることは当然に予想され、本発明は本実施形態に示す数値に限定されるものではない。また本発明の熱交換器の運転方法を適用可能な熱交換器は、高炉ガス焚きガスタービン複合発電プラント１のガス冷却水冷却器５１に限定されるものではない。液体とプロセスガスとを直接接触させる気液接触装置を備え、この気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を介して熱交換する隔壁式の熱交換器であれば本発明の熱交換器の運転方法を使用することができる。気液接触装置も冷却装置に限定されるものではなく、ガスを洗浄する洗浄装置、ガスと液体とを接触させガスを加熱する加熱装置であってもよい。また液体も水に限定されるものではなく、有機溶剤、石油などの可燃性液体などであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１ 高炉ガス焚きガスタービン発電プラント
２ ガスタービン複合発電プラント
３ 燃料圧縮機
１５ 燃料ガス戻りライン
２３ ガス冷却器
３１ 冷却塔
４３ 冷却水供給ライン
４５ ガス冷却水ポンプ
５１ ガス冷却水冷却器、プレート式熱交換器
５２ ガス冷却水冷却器、プレート式熱交換器
６１、６２ ガス冷却水入口部
６３、６４ ガス冷却水出口部
６５、６６ ガス冷却水入口弁
６７、６８ ガス冷却水出口弁
６９、７０、７１、７２ 連絡管
７３、７４、７５、７６ 連絡弁
８１、８２、８３、８４ 戻りガス供給管
８５、８６、８７、８８ ガス供給弁
８９ 戻りガス供給管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を隔てて熱交換する熱交換器の運転方法であって、
熱交換器は、熱交換器の液体入口部にプロセスガスを吹き込むプロセスガス供給ラインを備え、
前記プロセスガス供給ラインからプロセスガスを吹き込み、気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器から排出される気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする熱交換器の運転方法。
【請求項２】
熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項３】
前記熱交換器は、熱交換器の液体入口部と液体出口部とを結び、液体を液体出口部から熱交換器へ送り熱交換した液体を液体入口部から排出し、排出した液体を液体出口部に戻す逆洗ラインを備え、
さらに前記逆洗ラインを介して液体出口部から気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項４】
前記プロセスガスが可燃性ガス及び／又は毒性ガスを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項５】
前記気液接触装置が、高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器であり、前記液体が戻りガスを冷却するガス冷却水であり、前記熱交換器が、ガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項１】
プロセスガスと液体とを直接接触させる気液接触装置で使用する液体と他の流体とを固体壁を隔てて熱交換する熱交換器の運転方法であって、
熱交換器は、熱交換器の液体入口部にプロセスガスを吹き込むプロセスガス供給ラインを備え、
前記プロセスガス供給ラインからプロセスガスを吹き込み、気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、熱交換器から排出される気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする熱交換器の運転方法。
【請求項２】
熱交換器の通常運転中に間欠的に前記気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項３】
前記熱交換器は、熱交換器の液体入口部と液体出口部とを結び、液体を液体出口部から熱交換器へ送り熱交換した液体を液体入口部から排出し、排出した液体を液体出口部に戻す逆洗ラインを備え、
さらに前記逆洗ラインを介して液体出口部から気液混相流を前記熱交換器に送り、熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へ付着したスケールを除去し、又は熱交換器の伝熱面及び／又は流路壁面へのスケールの付着を予防し、熱交換器で熱交換された前記気液混相流を前記気液接触装置へ送ることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項４】
前記プロセスガスが可燃性ガス及び／又は毒性ガスを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の熱交換器の運転方法。
【請求項５】
前記気液接触装置が、高炉ガス焚きガスタービン発電設備の戻りガスを冷却するガス冷却器であり、前記液体が戻りガスを冷却するガス冷却水であり、前記熱交換器が、ガス冷却水を冷却するガス冷却水冷却器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の熱交換器の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８８０９４（Ｐ２０１３−８８０９４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１６１３（Ｐ２０１１−２３１６１３）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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