JPH074603A - ごみ焼却発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービン
に供給するシステムを、ガスタービンの停止時にも効率
よく運転する。 【構成】 ガスタービン１３の稼動時には、排熱ボイラ
１４によって焼却炉ボイラ１１から発生する蒸気を過熱
して蒸気タービン１５を駆動する。ガスタービン１３の
停止時には、ガバナ１５ｃの設定する蒸気タービン１５
の入口設定圧力を低下させる。さらに、蒸気タービン１
５を高圧タービン部１５ｄと低圧タービン部１５ｅとの
混気タービンとし、蒸気溜１８からの蒸気の一部を低圧
タービン部１５ｅに供給する。これによって蒸気の湿り
度に余裕が生じるときには、通風ファン１６ａを駆動す
るなどによって、復水器１６の復水温度を下げ、蒸気タ
ービン１５の出口圧力を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンと組合わ
せて熱効率の向上を図るごみ焼却発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、既存プラントの排熱によって
蒸気を発生させ、発生した飽和蒸気をガスタービン排気
によって過熱し、高温蒸気として蒸気タービンに導いて
発電するシステムは、種々提案されている。本件出願人
も、「ガスタービンと組合せた冶金炉排ガス顕熱回収発
電設備」を特願平４−１７００２３として、「ガスター
ビンと組合せたセメント廃熱回収発電設備」を特願平４
−１７００２４として、それぞれ出願済である。ごみ焼
却発電プラントの熱効率向上のため、ごみ焼却炉ボイラ
で発生した蒸気を、ガスタービンの排熱で過熱して高温
蒸気としてガスタービンに供給するシステムは、最近
「スーパーごみ発電」として注目をあびている。その典
型的な先行技術は、たとえば特開平５−１０１０７５公
報に開示されている。

【０００３】図４は、本発明の基礎となる技術によるガ
スタービンと組合わせたごみ焼却発電プラントの構成を
示す。ごみ焼却のための焼却炉ボイラ１には、過熱器１
ａ、蒸気ドラム１ｂおよび節炭器１ｃなどが付設され
る。焼却炉ボイラ１かた発生する蒸気は、温度調節装置
２を介して取出される。ガスタービン３からの排気ガス
は、排熱を回収する排熱ボイラ４に導かれる。排熱ボイ
ラ４には過熱器４ａ、蒸発器４ｂおよび蒸気ドラム４ｃ
が設けられる。排熱ボイラ４からの過熱蒸気は、蒸気タ
ービン５に入口加減弁５ａを介して供給される。蒸気タ
ービン５の出口から排出される蒸気は、復水器６で復水
され、復水タンク７に一旦貯留される。温度調節装置２
と排熱ボイラ４との間には、蒸気溜８が設けられ、発生
した蒸気を貯留すると同時に、一部を所内蒸気として取
出して利用可能とする。温度調節装置２の出口側の蒸気
の温度は、主蒸気温度調節計９によって検出され、減温
注水弁１０の開度を調整する。蒸気の温度が高くなる
と、減温注水弁１０の開度が大きくなり、温度調節装置
２への注水量が多くなる。

【０００４】図５は、図４に示すごみ焼却発電プラント
の動作時における蒸気タービンの状態変化を示す。焼却
炉ボイラ１内では、ボイラ給水ポンプから供給された水
が節炭器１ｃで予熱され、蒸発器（記載せず）で蒸発さ
れ蒸気ドラムｂに貯えられ、過熱器１ａで過熱される。
過熱器１ａから出た蒸気は、温度調節装置２によって温
度が調節され、圧力ｐｔ０（ａｔａ）および温度ｔ０
（℃）の状態で蒸気溜８に送られる。この状態はＡ点で
示される。蒸気溜８からは、一部がごみ焼却プラント内
の所内蒸気として利用され、残りはガスタービン３の排
熱を利用する排熱ボイラ４に設けられた過熱器４ａに送
られる。排熱ボイラ４内で、過熱器４ａの下流側には蒸
発器４ｂが設けられ、圧力ｐｔ０（ａｔａ）の飽和蒸気
を発生する。この蒸気の状態はＢ点で示される。Ａ点お
よびＢ点で示す蒸気は合流してＣ点に示すようなｔ０１
（℃）の温度となり、過熱器４ａによって温度ｔｉ
（℃）まで過熱されてＤ点の状態となってから、蒸気タ
ービン５に送られる。蒸気タービン５に入った高圧高温
の蒸気は、仕事をして圧力ｔｚ（ａｔａ）、温度ｔｚ
（℃）の蒸気となり、この状態はＥ点で示される。この
蒸気は復水器６で潜熱を放出して温度ｔｚ（℃）の水と
なり、復水タンク７に貯えられる。このとき蒸気タービ
ン５の出口におけるＥ点の状態での蒸気湿り度はｘａ
（％）で、許容制限値内にあるものとする。

【０００５】ガスタービン３が停止すると、蒸発器４ｂ
からの発生蒸気はないので、蒸気タービン５に入る蒸気
量はガスタービン稼動時よりも減少する。このため蒸気
タービン５は部分負荷運転となり、内部での膨張状態を
示す膨張線の傾斜はＤ−Ｂよりも緩やかになる。また過
熱器４ａにおける過熱も行われないので、蒸気タービン
５の内部での膨張状態は、膨張線Ａ−Ｅ１によって表さ
れるようになる。蒸気タービン５の出口の状態Ｅ１での
蒸気湿り度はｘ１（％）となり、許容制限値ｘａ（％）
を超える。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】既存プラント排熱によ
って発生する蒸気を、ガスタービン排熱によって過熱し
て熱効率を向上させて発電させる従来からのシステム
は、ガスタービンを連続して運転することが前提とな
る。工場において所内で使用する電力が多量であるとき
には、排熱回収する発電プラントを設置しても、なお化
石燃料を用いた発電設備を設置して発電したり、商業電
力ラインより電力を購入して不足分を補う必要がある。
このため、夜間といえどもガスタービンを連続して稼動
させ、停止を行う必要はない。

【０００７】ごみ焼却炉では、所内で使用する電力は少
なく、余剰の電力を商業電力ラインに逆送電して売電す
る必要がある。しかしながら、昼間は電力単価が高いの
で経済的に成立しても、夜間は電力単価が安いので、高
価なガスを使用すると経済的には成立しなくなる。ガス
タービンの部分負荷効率は悪く、たとえば２５％負荷に
おいても、燃料消費量は１００％負荷時の約５０％とな
る。このためガスタービンの負荷を下げて運転しても、
経済性は向上しない。ガスタービンを停止させると、蒸
気タービン入口における蒸気の温度は、前述のような焼
却炉ボイラ１の出口の温度ｔ０（℃）以下となり、蒸気
タービン５の出口付近での蒸気の湿り度が大きくなり、
蒸気タービン５の最終段付近における動翼にドレンエロ
ージョンが生じやすくなる。

【０００８】復水器６の復水能力を低下させることなど
によって、蒸気タービン５の出口の圧力をｔｚ１（ａｔ
ａ）まで上昇させて、Ｅ１ａで表す状態にすると、蒸気
湿り度を許容制限値内に保つことができるけれども、蒸
気タービン５の内部熱落差が減少し、発電出力は減少す
る。

【０００９】ごみ焼却発電を高効率で行うためには、ガ
スタービン停止時における発電効率を向上する必要があ
る。たとえば、東京都清浄局および財団法人政策科学研
究所から「高効率ごみ焼却発電事業化調査中間報告書」
として公表されているシステムでは、蒸気タービンを高
圧部と低圧部とに分割し、クラッチ等で接続および分離
が可能に構成する。ガスタービン停止時に焼却炉から発
生する蒸気は、低圧部タービンに流入させ、高圧タービ
ンを切離して低圧タービンのみを使用する。しかしなが
ら、高圧タービンおよび低圧タービンに機械的に分離す
る必要があり、両タービンを結合あるいは分離するため
のクラッチが必要となる。

【００１０】事業用発電プラントにおいては、変圧運転
を行い、蒸気タービン内部効率の低下を防ぐ方法が採用
されることがある。また原子力タービンにおいては、蒸
気タービンの途中から蒸気を抽出し、湿分分離器で湿分
を除去し、再び蒸気タービンに流入させることによっ
て、蒸気タービン内において蒸気湿り度を許容値以下に
保つ方法が採用されている。しかしながら、ごみ発電の
ように常時蒸発量が変動する場合には運転制御が困難で
あったり、湿分分離器を必要としたりする。

【００１１】本発明の目的は、ガスタービン停止時にも
効率的な発電が可能なごみ焼却発電装置を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ごみ焼却炉ボ
イラで発生した蒸気を、ガスタービンの排ガスによって
過熱し、蒸気加減弁を介し、蒸気タービンに供給して発
電機を駆動するごみ焼却発電装置において、ガスタービ
ンを停止したとき、蒸気加減弁の開度がガスタービン稼
動時と同等となるように、蒸気タービン入口圧力設定値
を低下させる制御手段を含むことを特徴とするごみ焼却
発電装置である。

【００１３】また本発明の蒸気タービンは混気タービン
であって、前記制御手段は、ガスタービン停止時、高圧
タービン部からの出力蒸気にごみ焼却炉ボイラからの蒸
気の一部を混入させて低圧タービン部に供給することを
特徴とする。

【００１４】また本発明の前記制御手段は、ガスタービ
ン停止時に、復水器の復水能力を向上させることによっ
て蒸気タービン出口圧力を高めることを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明に従えば、ガスタービンを停止したとき
に、蒸気加減弁の開度がガスタービン稼動時と同等とな
るように、蒸気タービン入口圧力設定値が低下させられ
るので、ガスタービン出口付近での蒸気の湿り度の増加
を抑制することができる。これによって、ガスタービン
停止時に、ごみ焼却炉ボイラから発生した蒸気を用いて
蒸気タービンを駆動してもドレンエロージョンが生じに
くくなり、熱効率を向上させることができる。

【００１６】また本発明に従えば、低圧タービン部に
は、高圧タービン部からの出力蒸気に、ごみ焼却炉ボイ
ラからの蒸気の一部を混入させて供給するので、蒸気出
口付近の蒸気の湿り度を低下させ、ドレンエロージョン
の発生を抑えることができる。

【００１７】また本発明に従えば、ガスタービン停止時
にも、ガスタービン出口付近の蒸気の湿り度には余裕が
生じるので、復水器の能力を向上させて蒸気タービン出
口圧力を低下させ、蒸気タービンの内部効率を向上させ
ることができる。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例によるごみ焼却発
電装置の概略的な構成を示す。ごみを焼却するための焼
却炉ボイラ１１内には、過熱器１１ａ、蒸気ドラム１１
ｂおよび節炭器１１ｃなどが付設される。ボイラ給水用
ポンプから供給される水は、節炭器１１ｃで予熱され、
蒸発した蒸気は蒸気ドラム１１ｂ内に貯えられ、過熱器
１１ａで過熱されて取出される。取出された蒸気は、温
度調節装置１２で、温度がたとえば３００（℃）である
ｔ０（℃）に調整される。ガスタービン１３からの排気
ガスは、排熱ボイラ１４に導かれ、排熱が回収される。
排熱ボイラ１４内には、過熱器１４ａ、蒸発器１４ｂお
よび蒸気ドラム１４ｃなどが付設される。ボイラ給水ポ
ンプから供給された水は、蒸気ドラム１４ｃを経て蒸発
器１４ｂに導かれ、排熱を吸収して蒸発する。蒸発した
蒸気は、蒸気ドラム１４ｃを介して過熱器１４ａに送ら
れ、過熱される。このとき、温度調節装置１２からの蒸
気も合流して過熱される。過熱された蒸気は、蒸気ター
ビン１５の入口に供給される。蒸気タービン１５の入口
には、高圧加減弁１５ａが設けられ、蒸気タービン１５
の回転速度が一定となるように開度が調整される。

【００１９】蒸気タービン１５は、混気タービンであ
り、高圧加減弁１５ａとともに、低圧加減弁１５ｂおよ
びガバナ１５ｃを用いて、高圧タービン部１５ｄおよび
低圧タービン部１５ｅに供給する蒸気の圧力を制御す
る。高圧タービン部１５ｄ途中には、蒸気を抽出したり
供給したりすることが可能な通気口１５ｆが設けられ
る。蒸気タービン１５の出口から排出される蒸気は、復
水器１６で冷却され、復水される。復水器１６で復水さ
れた水は、復水タンク１７で一時貯留され、脱気器へ送
られる。

【００２０】温度調節装置１２と排熱ボイラ１４との間
には、蒸気溜１８が設けられる。蒸気溜１８内の蒸気の
温度は、主蒸気温度調節計１９によって検出され、その
温度がｔ０（℃）を超えるときには、温度調節装置１２
へ注水するための減温注水弁２０の開度が大きくなり、
蒸気の温度を下げる。蒸気溜１８内の蒸気の圧力は、主
蒸気圧力検出発信器２１によって検出され、その圧力を
表す信号はガバナ１５ｃに伝達される。

【００２１】ガスタービン１３には、燃料供給弁２２を
介して燃料であるガスが供給される。蒸気溜１８の出口
と、過熱器１４ａの出口との間には、主蒸気バイパス弁
２３が設けられる。蒸気溜１８内の蒸気は、蒸気溜送気
元弁２４を介しても取出される。蒸気溜送気元弁２４の
出口側と、通気口１５ｆとの間には、混気元弁２５およ
びタービン抽気送気弁２６がそれぞれ並列に介在され
る。主蒸気バイパス弁２３と高圧加減弁１５ａとの間に
は、蒸気タービン入口流量検出発信器２７が設けられ
る。蒸気タービン入口流量検出発信器２７からの出力
は、コンピュータ制御される制御装置２８に与えられ
る。制御装置２８からの出力は、燃料供給弁２２、主蒸
気バイパス弁２３、蒸気溜送気元弁２４、混気元弁２５
およびタービン抽気送気弁２６にそれぞれ与えられ、こ
れらの弁を制御する。制御装置２８には、さらに混気流
量検出発信器２９および蒸気タービン出口圧力検出発信
器３０からの信号も与えられる。また、ガバナ１５ｃも
制御装置２８によって制御される。

【００２２】蒸気タービン１５を通過する蒸気の流量が
Ｇｄ（ｋｇ／ｈ）からＧｎ（ｋｇ／ｈ）に変わると、高
圧加減弁１５ａの開度を一定とすれば、高圧加減弁１５
ａより上流側の圧力ｐ、温度ｔは次の第１式の関係とな
る。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、ｔｉ，ｔ０は、流量Ｇｄ，Ｇｎの
ときの高圧加減弁１５ａ入口の温度（℃）をそれぞれ表
す。またｐｄ，ｐｎは、流量Ｇｄ，Ｇｎのときの高圧加
減弁１５ａ入口の圧力（ａｔａ）をそれぞれ表す。たと
えば、Ｇｄ＝１００，１００（ｋｇ／ｈ）、ｔｉ＝４５
０（℃）、ｐｄ＝６０（ａｔａ）、ｔ０＝３００
（℃）、Ｇｎ＝７５，０００（ｋｇ／ｈ）とすれば、ｐ
ｎ＝４０．１（ａｔａ）となる。

【００２５】以下、図２を参照して、図１に示す実施例
の動作を説明する。ステップａ１でガスタービン１３が
停止すると、蒸発器１４ｂから発生する蒸気がなくなる
ので、蒸気タービン１５への蒸気の流入量は減少する。
制御装置２８は、ガスタービン１３の停止信号、たとえ
ば燃料供給弁２２の全閉信号に応答して、第１式によっ
て求められる圧力値を、ステップａ２で蒸気タービン１
５の高圧加減弁１５ａの前圧力設定値としてガバナ１５
ｃに送る。ガスタービン１３の停止時は、ステップａ３
で示すように、蒸気タービン１５の入口の圧力がこの新
しい圧力設定値となるように高圧加減弁１５ａは作動
し、ステップａ４で示すような前圧制御運転となる。

【００２６】ガスタービン１３の停止信号で、蒸気ター
ビン１５を抽気タービンから混気タービンに切換える。
すなわちステップａ５で蒸気溜送気元弁２４を全開と
し、ステップａ６で混気元弁２５も全開とする。ステッ
プａ７のようにガス抽気送気弁２６は全閉とし、ステッ
プａ８に示すように、蒸気タービン１５から所内および
系外に送られていた給気蒸気量Ｇｅを、蒸気溜１８から
送るように切換える。この結果蒸気タービン１５に入る
蒸気量は、ガスタービン稼動時には次の第２式、ガスタ
ービン停止時には次の第３式のようになる。

【００２７】 Ｇｄ＝Ｇｒ＋Ｇｇ …（２） Ｇｎ＝Ｇｒ−Ｇｅ …（３） ここで、Ｇｒは焼却炉ボイラ１１から発電プラントに送
られる蒸気の量を表し、Ｇｇは排熱ボイラ１４の蒸発器
１４ｂから発生する蒸気量を表し、Ｇｅは所内および系
外への蒸気の送気量を表す。

【００２８】焼却炉ボイラ１１から送られる蒸気量Ｇｒ
は、投入ごみ質による発熱量によって常時異なるので、
圧力設定値を変更するための蒸気量は、想定する最高質
ごみ質に相当する値Ｇｒ０を用いるものとする。

【００２９】図３は、本実施例における蒸気の圧力状態
の変化を示す。図１および図２を併せて参照して、本実
施例の動作をさらに説明する。ガスタービンの停止時
に、圧力設定値がたとえばｐｎ０（ａｔａ）に変更され
るので、蒸気タービン１５の入口の状態はＭ点に移る。
蒸気タービン１５の高圧加減弁１５ａの絞り損失の減少
によって、内部効率は向上し、膨張線Ｍ−Ｎは、ガスタ
ービン稼動時の膨張線Ｄ−Ｅとほとんど平行となる。蒸
気タービン１５の入口の圧力設定値を下げることによっ
て、圧力を変えない場合の蒸気タービン１５の出口付近
蒸気湿り度よりも蒸気湿り度の低い状態Ｎとなる。すな
わち、Ｎの蒸気湿り度は、図５に示すＥ１点の蒸気湿り
度ｘ１（％）よりは低くなる。Ｎ点で示す蒸気タービン
１５の蒸気湿り度がどの程度となるかは、最高ごみ質の
発熱量、処理量、所内および場外への送気量から、プラ
ント計画時点の諸数値を用いて予め予測し得る。これ
が、許容制限湿り度ｘａ（％）よりも小さければよいけ
れども、大きくなる場合も生じる。湿り度を改善するた
めには、高圧タービン部１５ｄの出口圧力ｐｅ（ａｔ
ａ）における動作状態を表すＰ点を、Ｐ１点に移す必要
がある。このため、蒸気溜１８からＧｍの量の蒸気を混
気させるための信号を、図２のステップａ９でＯＮ状態
とし、ステップａ１０で混気して、混気した状態の蒸気
をステップａ１１で低圧タービン部１５ｅに供給する。
このような混気を行えば、蒸気タービン１５の膨張線
は、Ｍ−Ｐ−Ｐ１−Ｅのように変化し、許容蒸気湿り度
ｘａ以下となる条件を満足するようになる。

【００３０】ごみの質が低下し、発熱量が減少し、発生
蒸気量が少なくなると、蒸気タービン１５の内部効率は
低下し、膨張線の傾きは緩やかになるので、出口圧力が
同一とすると、蒸気湿り度に余裕が生じる。このこと
は、蒸気タービン１５の出口圧力を下げうることを意味
する。蒸気タービン入口流量を、蒸気タービン入口流量
検出発信器２７で検出し、制御装置２８で予め設定して
いた流量と出口圧力との関係になるように、復水器１６
への冷却水量を調整したり、通風ファン１６ａを駆動し
て冷却能力を向上させると、蒸気タービン１５の出口圧
力を低下させることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガスター
ビンを停止したときでも、蒸気タービン入口圧力設定値
を低下させてガスタービン出口付近での蒸気の湿り度を
低下させ、ドレンエロージョンを起こさないように効率
的な蒸気タービンの運転を行うことができる。

【００３２】また本発明によれば、蒸気タービンを混気
タービンとして高圧タービン部からの出力蒸気にごみ焼
却炉ボイラからの蒸気の一部を混入させて低圧タービン
部に供給するので、ガスタービン停止時に蒸気タービン
を効率的に運転させることができる。

【００３３】また本発明によれば、復水器の復水能力を
ガスタービン停止時には向上させて蒸気タービン出口圧
力を低下させるので、蒸気タービンの運転効率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略的な構成を示すフロー
図である。

【図２】図１の実施例の動作状態を示すブロック図であ
る。

【図３】図１の実施例の動作状態を示すグラフである。

【図４】本発明の基礎となる技術によるガスタービンと
組合わせたごみ焼却発電プラントの構成を示すフロー図
である。

【図５】図４に示す構成の動作を示すグラフである。

【符号の説明】

１１ 焼却炉ボイラ １３ ガスタービン １４ 排熱ボイラ １４ａ 過熱器 １４ｂ 蒸発器 １５ 蒸気タービン １５ａ 高圧加減弁 １５ｃ ガバナ １５ｄ 高圧タービン部 １５ｅ 低圧タービン部 １６ 復水器 ２１ 主蒸気圧力検出発信器 ２２ 燃料供給弁 ２４ 蒸気溜送気元弁 ２５ 混気元弁 ２６ タービン抽気送気弁 ２７ 蒸気タービン入口流量検出発信器 ２８ 制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ごみ焼却炉ボイラで発生した蒸気を、ガ
   スタービンの排ガスによって過熱し、蒸気加減弁を介
   し、蒸気タービンに供給して発電機を駆動するごみ焼却
   発電装置において、 ガスタービンを停止したとき、蒸気加減弁の開度がガス
   タービン稼動時と同等となるように、蒸気タービン入口
   圧力設定値を低下させる制御手段を含むことを特徴とす
   るごみ焼却発電装置。
2. 【請求項２】 蒸気タービンは混気タービンであって、
   前記制御手段は、ガスタービン停止時、高圧タービン部
   からの出力蒸気にごみ焼却炉ボイラからの蒸気の一部を
   混入させて低圧タービン部に供給することを特徴とする
   請求項１記載のごみ焼却炉発電装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、ガスタービン停止時
   に、復水器の復水能力を向上させることによって蒸気タ
   ービン出口圧力を高めることを特徴とする請求項１記載
   のごみ焼却発電装置。