KR101735989B1 - 가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

IGCC 플랜트는 산화제를 이용하여 석탄을 가스화시키는 석탄 가스화 로, 및 석탄 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 석탄 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비한다. IGCC 플랜트의 제어 장치(50)는 석탄 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 IGCC 플랜트의 부하의 변동에 따라, 탄소의 이론 연소 공기량에 대해 석탄 가스화 로에 공급되는 공기량의 비인 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 석탄 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어한다. 이것에 의해, IGCC 플랜트는 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정될 수 있다.

Description

가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법{GASIFICATION POWER PLANT CONTROL DEVICE, GASIFICATION POWER PLANT, AND GASIFICATION POWER PLANT CONTROL METHOD}
본 발명은 가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 석탄 화력 플랜트의 발전 효율을 향상시키기 위해, 석탄 가스화 복합 발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle) 플랜트가 개발·실용화되어 있다. 이 IGCC 플랜트는, 가스화 로(爐)에 의해서 석탄으로 대표되는 탄소 함유 연료를 가스화하여 생성 가스를 얻는다. 그리고, IGCC 플랜트는 생성 가스를 가스 정제 설비에서 정제하여 얻어지는 가스를 연료로서 운전하는 가스 터빈과 가스 터빈의 배열을 회수해 얻을 수 있는 증기에 의해 운전하는 증기 터빈을 구비한다.
IGCC 플랜트는, 통상 운전시나 부하 변화시에 있어, 공기비가 부하마다 미리 정한 설정값으로 되도록 제어된다. 공기비는 석탄의 이론(理論) 연소 공기량에 대해 가스화 로에 공급되는 공기량의 비이다. 그리고, 가스화 로로의 산화제인 공기나 산소의 공급 유량은 도 9에 나타내는 바와 같이 가스화 로에 투입되는 입열을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령(GID; Gasifier Input Demand)에 근거하여 제어된다.
또, 가스화 로에 공급되는 석탄 유량은 GID에 근거하는 설정값이나, 부하 변화시에 있어서의 선행 신호로 제어된다.
그리고, 가스화 로의 압력은 도 10에 나타내는 바와 같이 IGCC 플랜트의 발전 출력 지령(MWD; Mega Watt Demand)에 근거한 설정값으로 제어된다. 가스화 로의 압력에 설정값으로부터의 편차가 생긴 경우, 가스화 로의 압력은 GID의 증감에 의해, MWD에 근거한 압력 설정값에 맞도록 제어된다. 또, IGCC 플랜트의 부하가 높을수록 가스화 로의 압력이 높게 설정되어, 가스 터빈에 공급하는 연료의 압력이 상승한다.
특히, 가스 터빈의 공기 압축기의 출구 공기의 일부를 추출하여, 가스화 로의 산화제로서 이용하는 IGCC 플랜트에서 상기 제어를 행하는 경우, MWD가 일정하더라도, 석탄의 품질이 일정하지 않기 때문에 가스화 로의 운전 상태량이 변화하여, 일시적으로 생성 가스의 발열량이 저하되는 경우가 있다.
또한, 가스화 로의 하류에 마련된 제진(除塵) 설비에서 회수한 차르(char)를 가스화 로의 차르 버너에 반송해서 리사이클하는 IGCC 플랜트에서 상기 제어를 행하는 경우, MWD가 일정하더라도, 차르 리사이클 계통의 막힘(clogging) 등으로 인해, 가스화 로의 운전 상태량이 변화하여, 일시적으로 생성 가스의 발열량이 저하되는 경우가 있다.
이러한 경우, IGCC 플랜트에는, 다음과 같은 현상(이하 「연료 소비량 증가 현상」이라고 함)이 생긴다.
즉, 생성 가스의 발열량의 저하는 가스 터빈으로의 연료 입열을 보상해야 하여 연료 소비량의 증가를 초래한다. 가스 터빈의 연료 소비량의 증가는, 과도적으로 상류측의 가스 압력을 저하시켜, 가스화 로내 압력의 저하를 초래한다. 가스화 로의 압력 설정값에 대해 계측값이 하회되는 편차가 생긴 경우, GID가 증가되어, 석탄 및 산화제 투입량이 증가된다.
가스 터빈의 공기 압축기의 출구 공기의 일부를 추출하고, 가스화 로의 산화제로서 이용하는 IGCC 플랜트에서, 산화제 유량의 증가는 가스 터빈으로부터의 추출 공기 유량의 증가를 초래한다. 추출 공기 유량의 증가는, 과도적으로 가스 터빈의 동작 매체인 공기를 추출 공기에 의해 할당하기 때문에, 가스 터빈의 출력 저하를 초래한다. 가스 터빈의 출력이 저하하면 MWD 설정값을 하회하는 것에 의해, 이것을 보상할 수 있도록 가스 터빈의 연료 소비량이 증가한다.
상기 연료 소비량 증가 현상과 같이, 주로 생성 가스의 발열량의 변화에 기인하여, IGCC 플랜트의 발전 출력에 헌팅이 발생한다. 그리고, 최종적으로는 가스화 로의 입열이 증가하는 것에 의해, 가스화 로의 하류에 접속된 가스 냉각기(SGC; Syn Gas Cooler)에 의한 증기의 발생량이 증가해서, 증기 터빈의 출력이 증가된다. 이 결과, 가스 터빈의 출력을 저하시키는 지령이 발행되고, IGCC 플랜트가 안정되게 된다.
도 11은 상기 연료 소비량 증가 현상에서의 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 도면이다. 도 11에 나타내는 바와 같이 생성 가스의 발열량이 저하되는 과도적 운전 상태가 발생한 경우, 가스 터빈은, MWD를 만족시키기 위해서 보다 많은 연료 가스를 필요로 하기 때문에, 가스화 로의 압력이 저하되기 시작한다(도 11의 GTin). 가스화 로의 압력이 저하되는 것에 의해, 가스화 로에 공급되는 석탄 유량이 GID에 근거하여 증가된다. 그리고, 가스화 로 내에 공급되는 산화제 유량(공기 유량)은, 가스화 로의 안정 운전을 위해, 석탄재를 용해 슬러그의 형태로 배출하는 운전 상태를 유지할 수 있도록, 또한 동(同) 운전 상태를 가장 단적으로 표현하는 공기비를 소정의 설정값으로 유지할 수 있도록 석탄 유량의 증가에 따라 증가한다. 즉, 공기 압축기로부터 가스화 로로 추출되는 공기 유량이 증가한다.
이러한 상태량의 변화로 인해, 제어가 안정되는 과정에서 산화제 유량에 오버슛이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 산화제의 공급 설비(예를 들면 가스 터빈의 공기 압축기와 가스화 로의 사이에 마련되는 공기 승압기)의 용량에 오버슛만큼의 용량 증가(오버슛 마진(margin))가 고려될 필요가 있다. 또한, 상기 연료 소비량 증가 현상이 발생한 경우, 오버슛의 발생에 따라, IGCC 플랜트 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요하는 경우가 있다.
산화제의 오버슛 마진에 의한 공급 설비의 용량 증가는 기기 비용의 증가를 초래한다. 또, 통상 운전시의 운전점과 오버슛 마진을 고려한 설비 계획점의 괴리가 커지면, 통상 운전시의 압축기 동력이 최적값(최소값)으로부터 벗어나, 여분의 동력을 필요로 한다.
또한, IGCC 플랜트에 대한 부하의 상승시에는, 과도적으로 가스 터빈의 소비 연료량의 증대에 따라, 가스화 로로부터 가스 터빈 입구까지의 연료 가스 계통의 압력에 저하가 생긴다. 또 IGCC 플랜트의 부하 상승에 따라, 가스화 로 압력 설정값도 상승하여, 연료 가스 계통의 압력 편차가 확대되는 경향으로 된다. 이 때문에, 가스화 로의 설정 압력과 연료 가스 계통의 압력의 편차를 작게 할 수 있도록, 선행 신호에 의해, 도 12에 나타내는 바와 같이 석탄 및 산화제가 선행되어 가스화 로에 공급된다.
이 경우도 산화제 유량의 증가에 의해 상기 연료 소비량 증가 현상이 발생하여, IGCC 플랜트 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요한다. 또한, 산화제의 공급 설비의 용량에도 이 선행 신호에 의한 오버슛 마진이 고려될 필요가 있다.
여기서, 특허문헌 1에는, 생성 가스의 발열량이 변화한 경우에, 산화제인 공기의 공급량을 대략 일정하게 하고, 석탄의 공급량을 조정하는 것에 의해서 생성 가스의 발열량을 대략 일정하게 유지하는 석탄 가스화 로가 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2010-285564호 공보
특허문헌 1에 개시되어 있는 가스화 로에서는, 생성 가스의 발열량이 변화하여도, 공급 공기(산화제)의 압축기의 운전점을 유지하게 되지만, 석탄의 공급량에 오버슛이 발생하는 등을 하여, IGCC 플랜트 전체의 제어로서는 안정되는데 시간을 요한다고 생각될 수 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정시킬 수 있는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 가스화 발전 플랜트의 제어 장치는, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치로서, 상기 가스화 발전 플랜트가 정정(靜定) 상태인 경우, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비를 고정으로 하는 공기비 고정 모드로 하고, 상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 상기 공기비를 변동 가능하게 하는 공기비 변동 모드로 하는 전환 수단을 구비한다.
본 발명에 의하면, 가스화 발전 플랜트는, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해 구동하는 가스 터빈, 및 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비한다. 탄소 함유 연료는 예를 들면 석탄이다.
가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우나 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우에도, 종래는 가스화 발전 플랜트가 정정 상태의 경우와 변함없이, 공기비를 고정한 공기비 고정 모드로 제어하고 있었다. 그러나, 공기비를 고정하는 것에 의해, 가스화 로에 있어서의 다른 제어량(예를 들면 산화제의 공급량)에 오버슛이 발생하여, 가스화 발전 플랜트 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요하는 경우가 있었다. 또, 가스화 로의 운전 상태량은, 예를 들면 가스화 로에서 생성되는 가스의 발열량(생성 가스 발열량)이다.
그래서, 본 발명은 가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 공기비 고정 모드로부터 공기비를 변동 가능하게 하는 공기비 변동 모드로 운전 모드가 전환된다.
가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 공기비 변동 모드로 되는 것에 의해서, 산화제량이 부하에 따라 변동하기 때문에, 산화제량의 오버슛이 억제된다. 또한, 산화제량의 오버슛이 억제되는 것에 의해서, 가스화 로에 공급되는 탄소 함유 연료량에 대한 산화제량이 작아지기 때문에, 가스화 로에서 생성되는 가스 중의 가연성 가스(예를 들면 CO)의 생성량이 증가하므로 생성 가스 발열량이 종래에 비해 보다 빠르게 증가해서, 보다 단시간에 가스화 발전 플랜트가 정정(靜定)된다.
또한, 산화제량의 오버슛이 억제되기 때문에, 산화제의 공급 설비의 용량에 대해 고려하는 오버슛 마진이 작아지므로, 해당 공급 설비의 용량을 종래에 비해 작게 할 수 있다. 또한, 오버슛 마진이 작아질수록, 해당 공급 설비의 설비 계획점과 통상 운전시의 운전점의 어긋남이 억제된다.
따라서, 본 구성은 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정시킬 수 있다.
상기 제 1 형태에서는, 상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동하는 경우를, 상기 가스화 로의 압력의 계측값과 가스화 로 압력의 설정값의 편차가 정정시에 비해 커진 경우로 하는 것이 바람직하다.
본 구성은 가스화 로의 운전 상태량의 변동 유무를 간단하고 쉽게 판단할 수 있다.
상기 제 1 형태에서는, 상기 가스화 발전 플랜트가, 상기 가스화 로 및 상기 가스 터빈의 배기 가스에 의해 가열된 증기에 의해서 구동하고, 구동축이 상기 가스 터빈의 구동축과 동일 축이 아닌 증기 터빈을 구비하며, 상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동하는 경우를, 상기 가스 터빈의 출력이 증가되지 않는 한편, 상기 가스화 로에 투입되는 입열을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령이 증가되는 경우로 하는 것이 바람직하다.
본 구성은 가스화 로의 운전 상태량의 변동 유무를 간단하고 쉽게 판단할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 가스화 발전 플랜트의 제어 장치는, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치로서, 상기 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하의 변동에 따라, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 상기 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어하는 산화제량 제어 수단을 구비한다.
본 발명에 의하면, 가스화 발전 플랜트는 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비한다. 산화제는 예를 들면 공기나 산소이며, 탄소 함유 연료는 예를 들면 석탄이다.
가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우나 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우에도, 종래는 가스화 로의 운전 상태를 일정하게 유지하도록 공기비(가스화 로에 대한 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비)를 미리 정해진 설정값으로 유지하도록 제어하고 있었다. 그러나, 공기비를 일정하게 유지하는 것에 의해, 가스화 로에 있어서의 다른 제어량(예를 들면 산화제의 공급량)에 오버슛이 발생하여, 가스화 발전 플랜트 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요하는 경우가 있었다. 또, 가스화 로의 운전 상태량은, 예를 들면 가스화 로에서 생성되는 가스의 발열량(생성 가스 발열량)이다.
그래서, 본 발명은, 산화제량 제어 수단에 의해서, 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 가스화 발전 플랜트의 부하의 변동에 따라, 과도기적인 가스화 로의 운전 상태의 변동을 허용하고, 즉 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어한다. 또, 상한값은 공기 압축기가 가스화 로로 송기(送氣) 가능한 풍량에 근거한다. 구체적으로는, 상한값은 공기 압축기의 최대 풍량에 대해 마진을 갖게 한 값이다. 또한, 미리 정해진 설정값으로부터의 어긋남의 허용 범위는, 예를 들면 설정값에 대한 상대비로 3%, 바람직하게는 5%이다.
가스화 로에 공급하는 산화제량의 제어량에 적극적으로 상한값이 마련되는 것에 의해서, 산화제량의 오버슛이 억제된다. 또한, 상한값이 마련되는 것에 의해서, 가스화 로에 공급되는 탄소 함유 연료량에 대한 산화제량이 작아지기 때문에, 가스화 로에서 생성되는 가스 중의 가연성 가스(예를 들면 CO)의 생성량이 증가하므로 생성 가스 발열량이 종래에 비해 보다 빠르게 증가해서, 보다 단시간에 가스화 발전 플랜트가 정정된다.
또한, 상한값이 마련되는 것에 의해서, 산화제량의 오버슛이 억제되기 때문에, 산화제의 공급 설비의 용량에 대해 고려되는 오버슛 마진이 작아지므로, 해당 공급 설비의 용량을 종래에 비해 작게 할 수 있다. 또한, 오버슛 마진이 작아질수록, 해당 공급 설비의 설비 계획점과 통상 운전시의 운전점의 어긋남이 억제된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 가스화 로에 공급하는 산화제량에 상한값을 마련하므로, 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정시킬 수 있다.
상기 제 2 형태에서는, 상기 산화제량이, 상기 가스화 발전 플랜트에 대한 출력 지령값에 근거하는 상기 가스화 로의 압력의 설정값과 상기 가스화 로의 압력의 계측값의 편차에 근거하여 결정되는 것이 바람직하다.
가스화 로의 압력은 가스화 로에서 생성한 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 가스 터빈에 공급하는 경우에, 공급량을 제어하기 위한 중요한 파라미터가 된다. 예를 들면, 가스화 로의 압력이 너무 낮으면, 가스 터빈이 요하는 양의 연료 가스를 공급할 수 없게 될 가능성이 있다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 출력 지령값에 근거하는 가스화 로의 압력의 설정값과 가스화 로의 압력의 계측값의 편차에 근거하여 산화제량이 결정되므로, 가스화 발전 플랜트의 운전에 적절한 산화제량이 결정된다.
상기 제 2 형태에서는, 상기 출력 지령값에 근거하여 결정되는 상기 산화제량이, 상기 가스화 로에 투입되는 입열을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령에 의해서 보정되는 것이 바람직하다.
가스화 발전 플랜트에 대한 출력 지령값은, 실제로는 큰 변동은 없고, 가스화 로 상태를 반영한 지령값이라고는 말하기 어렵다. 이 때문에, 본 발명은 출력 지령값에 의해 결정하고 있는 산화제 유량을 가스화 로 입력 지령값으로 보정하므로, 보다 적정한 산화제량이 결정된다.
상기 제 2 형태에서는, 상기 산화제량 제어 수단이, 상기 가스화 로의 압력을 상승시키는 경우에만, 산화제량을 상기 상한값 내로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 가스화 로의 압력을 상승시키는 경우, 산화제량에 상한값을 마련하여 해당 상한값 내로 제어한다. 한편, 가스화 로의 압력을 감소시키는 경우, 산화제량의 하한측에는 제한값을 마련하지 않는다. 가스화 로의 압력을 감소시키는 경우에, 산화제량의 제어량의 하한측에 제한값을 마련하면, 공기비가 너무 높아져, 가스화 로에서 충분한 발열량을 가진 가스가 생성되지 않아, 가스 터빈이 실화될 우려가 있기 때문이다.
본 발명의 제 3 형태에 따른 가스화 발전 플랜트는, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로와, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈과, 상기 기재된 제어 장치를 구비한다.
본 발명의 제 4 형태에 따른 가스화 발전 플랜트의 제어 방법은, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법으로서, 상기 가스화 발전 플랜트가 정정 상태인 경우, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비를 고정으로 하는 공기비 고정 모드로 하고, 상기 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 상기 공기비를 변동 가능하게 하는 공기비 변동 모드로 한다.
본 발명의 제 5 형태에 따른 가스화 발전 플랜트의 제어 방법은, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 해당 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법으로서, 상기 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하의 변동에 따라, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 상기 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어한다.
본 발명에 의하면, 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정시킬 수 있다고 하는 뛰어난 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 산화제 유량의 제어에 관한 기능 블럭도이다.
도 3은 본 제 1 실시 형태에 따른 압력 편차와 산화제 유량의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 제 1 실시 형태에 따른 석탄 가스화 로의 운전 상태량의 변동에 따른 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 산화제 유량과 석탄 유량과 공기비 λ의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트의 부하의 변동에 따른 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 제 2 실시 형태에 따른 석탄 가스화 로의 운전 상태량의 변동에 따른 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 제 2 실시 형태에 따른 제어 장치의 구성을 나타내는 기능 블럭도이다.
도 9는 종래에 있어서의 산화제 유량과 GID의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 종래에 있어서의 가스화 로 압력과 MWD의 관계를 나타내 그래프이다.
도 11은 종래에 있어서의 석탄 가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우에 있어서의 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 종래에 있어서의 IGCC 플랜트의 부하가 변동한 경우에 있어서의 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에, 본 발명에 따른 가스화 발전 플랜트의 제어 장치, 가스화 발전 플랜트, 및 가스화 발전 플랜트의 제어 방법의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시 형태)
이하, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해 설명한다.
본 제 1 실시 형태에서는, 본 발명을, 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 석탄 가스화 로, 석탄 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 가스화 로 및 가스 터빈의 배기 가스에 의해 가열된 증기에 의해서 구동하는 증기 터빈을 구비하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(이하, 「IGCC 플랜트」라고 함)에 적용한 경우에 대해 설명한다. 또, 산화제의 일례를 공기 및 산소로 하고, 탄소 함유 연료의 일례를 석탄으로 한다.
도 1은 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)의 전체의 개략 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)는 주로, 석탄 가스화 로(3), 가스 터빈 설비(5), 증기 터빈 설비(7), 및 배열 회수 보일러(이하, 「HRSG」라고 함)(30)을 구비하고 있다.
석탄 가스화 로(3)의 상류측에는, 석탄 가스화 로(3)로 미분탄(微粉炭)을 공급하는 석탄 공급 설비(10)가 마련되어 있다. 이 석탄 공급 설비(10)는 원료탄을 분쇄하여 수㎛~수백㎛의 미분탄으로 하는 분쇄기(도시하지 않음)를 구비하고 있고, 이 분쇄기에 의해서 분쇄된 미분탄이 복수의 호퍼(11)에 저장되도록 되어 있다.
각 호퍼(11)에 저장된 미분탄은 일정 유량씩 공기 분리 설비(이하, 「ASU」라고 함)(15)로부터 공급되는 질소 가스와 함께 석탄 가스화 로(3)로 반송된다. ASU(15)는 공기로부터 질소 가스 및 산소 가스를 분리하고, 이들을 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 장치이며, 잉여로 생성된 질소 가스 및 산소 가스를 외부로 각각방풍(防風)하기 위한 밸브(15A, 15B)가 석탄 가스화 로(3)로의 공급 라인에 마련되어 있다.
석탄 가스화 로(3)는 아랫쪽으로부터 윗쪽으로 가스가 흘러가도록 형성된 석탄화부(3a)와, 석탄화부(3a)의 하류측에 접속되고, 윗쪽으로부터 아랫쪽으로 가스가 흘러가도록 형성된 열교환부(3b)를 구비하고 있다.
석탄화부(3a)에는, 하부로부터 컴버스터(combuster)(13) 및 리덕터(reductor)(14)가 마련되어 있다. 컴버스터(13)는 미분탄 및 차르의 일부분을 연소시키고, 나머지는 열분해에 의해 휘발분(CO, H2, 저급 탄화수소)으로서 방출시키는 부분이다. 컴버스터(13)에는 분류 베드(entrained bed)가 채용되어 있다. 그러나, 컴버스터(13)는 유동 베드(fluidized bed)식이나 고정 베드(fixed bed)식이어도 상관없다.
컴버스터(13) 및 리덕터(14)에는, 각각, 컨버스터 버너(13a) 및 리덕터 버너(14a)가 마련되어 있고, 컨버스터 버너(13a) 및 리덕터 버너(14a)에 대해 석탄 공급 설비(10)로부터 미분탄이 공급된다.
컨버스터 버너(13a)에는, 가스 터빈 설비(5)의 공기 압축기(5c)로부터 추출한 공기가 공기 승압기(17) 및 산화제 공급로(8)를 거쳐서, ASU(15)에서 분리된 산소 가스와 함께 산화제로서 공급되게 되어 있다. 이와 같이 컨버스터 버너(13a)에는 산소 농도가 조정된 공기가 공급되도록 되어 있다. 또, 공기 압축기(5c)로부터 추출한 공기는 ASU(15)에서 산소가 분리되고, 분리된 산소가 산화제 공급로(8)를 거쳐서, 컨버스터 버너(13a)에 공급되어도 좋다.
리덕터(14)에서는, 컴버스터(13)로부터의 고온 연소 가스에 의해서 미분탄이 가스화된다. 이것에 의해, 석탄으로부터 CO나 H2 등의 기체 연료로 되는 가연성 가스가 생성된다. 석탄 가스화 반응은 미분탄 및 차르 중의 탄소가 고온 가스 중의 CO2 및 H2O와 반응하여 CO나 H2를 생성하는 흡열 반응이다.
석탄 가스화 로(3)는 공기 압축기(5c)로부터 공급되는 공급 공기와 석탄을 반응시켜 가스를 생성한다. 구체적으로는, 석탄 가스화 로(3)의 열교환부(3b)에는, 복수의 열교환기(도시 생략)가 설치되어 있고, 리덕터(14)로부터 유도되는 생성 가스로부터 현열(顯熱)을 얻어 증기를 발생시키도록 되어 있다. 열교환기에서 발생한 증기는 주로 증기 터빈(7b)의 구동용 증기로서 이용된다. 열교환부(3b)를 통과한 생성 가스는 제진 설비(20)로 유도된다. 이 제진 설비(20)는 포러스 필터를 구비하고 있고, 포러스 필터를 통과시키는 것에 의해서 생성 가스에 혼재되는 미연분을 포함한 차르를 포착해서 회수한다. 포착된 차르는 포러스 필터에 퇴적되어 차르층을 형성하고 있다. 차르층에는, 생성 가스에 포함되는 Na분 및 K분이 응축되고, 결과적으로 제진 설비(20)에서 Na분 및 K분도 제거된다.
이렇게 회수된 차르는 석탄 가스화 로(3)의 차르 버너(21)로 반송되어 리사이클된다. 또, 차르와 함께 차르 버너(21)로 반송된 Na분 및 K분은 최종적으로 용해된 미분탄의 재와 함께 석탄화부(3a)의 아래쪽으로부터 배출된다. 용해 배출된 재는 물로 급냉, 파쇄되어 유리 형상의 슬러그로 된다.
제진 설비(20)를 통과한 생성 가스는 가스 정제 설비(22)에 의해서 정제되고, 연료 가스로서 가스 터빈 설비(5)의 연소기(5a)로 보내어진다.
가스 터빈 설비(5)는 생성 가스를 가스 정제 설비(22)에서 정제해서 얻어지는 연료 가스가 연소되는 연소기(5a)와, 연소 가스에 의해서 구동되는 가스 터빈(5b)과, 연소기(5a)로 고압 공기를 송출하는 공기 압축기(5c)를 구비하고 있다. 가스 터빈(5b)과 공기 압축기(5c)는 동일한 회전축(5d)에 의해서 접속되어 있다. 공기 압축기(5c)에서 압축된 공기는 추출되어 연소기(5a)와는 별도로, 공기 승압기(17)로도 유도되도록 되어 있다.
가스 터빈(5b)을 통과한 연소 배기 가스는 HRSG(30)로 유도된다. 증기 터빈 설비(7)의 증기 터빈(7b)은 가스 터빈 설비(5)와 동일한 회전축(5d)에 접속되어 있고, 소위 1축식의 콤바인드 시스템(combined system)으로 되어 있다. 증기 터빈(7b)에는, 석탄 가스화 로(3) 및 HRSG(30)로부터 고압 증기가 공급된다. 또, 1축식의 콤바인드 시스템에 한정되지 않고, 2축식의 콤바인드 시스템이어도 상관없다.
가스 터빈(5b) 및 증기 터빈(7b)에 의해서 구동되는 회전축(5d)으로부터 전기를 출력하는 발전기 G가, 증기 터빈 설비(7)를 사이에 두고 가스 터빈 설비(5)의 반대측에 마련되어 있다. 또, 발전기 G의 배치 위치에 대해서는, 이 위치에 한정되지 않고, 회전축(5d)으로부터 전기 출력이 얻어질 것 같으면 어느 위치이더라도 상관없다.
HRSG(30)는 가스 터빈(5b)으로부터의 연소 배기 가스에 의해서 증기를 발생함과 아울러, 연소 배기 가스를 굴뚝(煙突)(31)으로부터 대기로 방출한다.
다음에, 상기 구성의 석탄 가스화 로(3)를 적용한 IGCC 플랜트(1)의 동작에 대해 설명한다.
원료탄은 분쇄기(도시하지 않음)에서 분쇄된 후, 호퍼(11)로 유도되어 저장된다. 호퍼(11)에 저장된 미분탄은 ASU(15)에서 분리된 질소 가스와 함께, 리덕터 버너(14a) 및 컨버스터 버너(13a)에 공급된다. 또, 차르 버너(21)에는, 제진 설비(20)에서 회수된 차르가 공급된다.
컨버스터 버너(13a)의 연소용 기체로서는, 가스 터빈 설비(5)의 공기 압축기(5c)로부터 추출되고, 공기 승압기(17)에 의해서 더 승압된 압축 공기에, 공기 분리기(15)에서 분리된 산소 가스가 첨가되어 사용된다. 컴버스터(13)에서는, 미분탄 및 차르가 연소용 공기에 의해서 부분 연소되고, 나머지는 휘발분(CO, H2, 저급 탄화수소)으로 열분해된다.
리덕터(14)에서는, 리덕터 버너(14a)로부터 공급된 미분탄 및 컴버스터(13) 내에서 휘발분을 방출한 차르가, 컴버스터(13)로부터 상승하여 온 고온 가스에 의해 가스화되어, CO나 H2 등의 가연성 가스가 생성된다.
리덕터(14)를 통과한 생성 가스는 석탄 가스화 로(3)의 열교환부(3b)를 통과하면서 각 열교환기에 그 현열을 주어, 증기를 발생시킨다. 열교환부(3b)에서 발생시킨 증기는 주로, 증기 터빈(7b)의 구동을 위해서 이용된다.
열교환부(3b)를 통과한 생성 가스는 제진 설비(20)로 유도되어, 차르가 회수된다. 생성 가스 중의 Na분 및 K분은 여기서 응축되어 차르로 취입된다. 회수된 Na분 및 K분을 포함하는 차르는 석탄 가스화 로(3)로 반송된다.
제진 설비(20)를 통과한 생성 가스는 가스 정제 설비(22)에서 정제된 후, 가스 터빈 설비(5)의 연소기(5a)로 유도되고, 공기 압축기(5c)로부터 공급되는 압축 공기와 함께 연소된다. 이 연소 가스에 의해서 가스 터빈(5b)이 회전되어, 회전축(5d)이 구동된다.
가스 터빈(5b)을 통과한 연소 배기 가스는 HRSG(30)로 유도되고, 이 연소 배기 가스의 현열을 이용하는 것에 의해서 증기가 발생된다. HRSG(30)에서 발생한 증기는 주로 증기 터빈(7b)의 구동을 위해 이용된다.
증기 터빈(7b)은 석탄 가스화 로(3)로부터의 증기 및 HRSG(30)로부터의 증기에 의해서 회전되고, 가스 터빈 설비(5)와 동일한 회전축(5d)을 구동시킨다. 회전축(5d)의 회전력은 발전기 G에 의해서 전기 출력으로 변환된다.
도 2는 본 제 1 실시 형태에 따른 석탄 가스화 로(3)로의 산화제량(본 제 1 실시 형태에서는 산화제 유량)의 제어에 관한 기능 블럭도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이 IGCC 플랜트(1)의 제어 장치(50)는 산화제 유량의 제어를 담당하는 산화제 유량 제어부(52)를 구비한다. 또, 제어 장치(50)는, 예를 들면 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고, 산화제 유량 제어부(52) 등의 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서 프로그램의 형식으로 기록 매체 등에 기록되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등으로 읽어내고, 정보의 가공·연산 처리를 실행하는 것에 의해, 각종 기능이 실현된다.
산화제 유량 제어부(52)는 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량의 변동 또는 IGCC 플랜트(1)의 부하의 변동에 따라, 공기비(석탄의 이론 연소 공기량에 대해 석탄 가스화 로(3)에 공급되는 공기량의 비)가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 산화제 유량을 소정의 상한값 내로 제어한다. 또, 공기비는 슬러그가 배출되는 값으로 되어 있다.
또, 상기 설정값이란, IGCC 플랜트(1)의 정(靜)특성시에 있어서의 이상적인 산화제 유량으로 되는 설정값이다.
또한, 상한값은 공기 압축기(5c)가 가스화 로(3)에 송기 가능한 풍량에 근거한다. 구체적으로는, 상한값은 공기 압축기(5c)의 최대 풍량에 대해 마진을 갖게한 값이다. 또한, 미리 정해진 설정값으로부터의 어긋남의 허용 범위는, 예를 들면 설정값에 대한 상대비로 3%, 바람직하게는 5%이다.
도 2에 나타내는 바와 같이 산화제 유량 제어부(52)는 가스화 로 압력 연산부(54), 산화제 유량 연산부(56), 압력 편차 연산부(58), 계수 연산부(60), 및 계수 승산부(62)를 구비한다.
가스화 로 압력 연산부(54)는 IGCC 플랜트(1)에 대한 출력 지령(본 제 1 실시 형태에서는 발전 출력 지령값, 이하 「MWD」라고 함)에 근거하여, 석탄 가스화 로(3)의 압력(이하, 「가스화 로 압력」이라고 함)의 설정값을 산출한다. 가스화 로 압력 연산부(54)는 MWD를 변수로 한 함수, 또는 MWD에 따른 가스화 로 압력을 나타낸 테이블 등에 근거하여, 가스화 로 압력의 설정값을 산출한다.
산화제 유량 연산부(56)는, MWD에 근거하여, 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 산화제 유량의 설정값(이하, 「산화제 유량 설정값」이라고 함)을 산출한다. 산화제 유량 연산부(56)는 MWD를 변수로 한 함수, 또는 MWD에 따른 산화제 유량을 나타낸 테이블 등에 근거하여, 산화제 유량 설정값을 산출한다.
압력 편차 연산부(58)는, 가스화 로 압력의 계측값으로부터 가스화 로 압력 연산부(54)에서 산출된 가스화 로 압력의 설정값을 감산하여 편차(이하, 「압력 편차」라고 함)를 산출한다.
계수 연산부(60)는 산화제 유량 연산부(56)에서 산출된 산화제 유량 설정값에 승산하기 위한 계수 α를 압력 편차 연산부(58)에서 산출된 압력 편차에 근거하여 산출한다. 계수 α는 공기비를 미리 정해진 설정값으로 하는 계수이다. 계수 연산부(60)는 계수 α를 변수로 한 함수, 또는 압력 편차에 따른 산화제 유량을 나타낸 테이블 등에 근거하여, 계수 α를 산출한다.
또, 계수 α에는 상한값이 마련되어 있다. 이 상한값은, 예를 들면 통상 운전(정특성시)에 있어서의 산화제 유량 설정값의 5% 정도이다.
계수 승산부(62)는 산화제 유량 연산부(56)에서 산출된 산화제 유량 설정값에 계수 연산부(60)에서 산출된 계수 α를 승산하여, 실제로 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 산화제 유량을 산출한다. 즉, 석탄 가스화 로(3)에 공급되는 산화제 유량은 산화제 유량 설정값에 대해 상기 상한값 내로 제어된다.
이와 같이, 산화제 유량 제어부(52)는 산화제 유량을 IGCC 플랜트(1)에 대한 MWD에 근거하여 결정하므로, IGCC 플랜트(1)의 출력이 직접적으로 또한 간이하게 안정화된다.
또, 석탄 유량은, 종래와 마찬가지로, 석탄 가스화 로(3)에 투입되는 입열을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령(이하, 「GID」라고 함)에 근거하여 결정된다.
여기서, 가스화 로 압력은 가스 터빈(5b)에 연료 가스를 공급하는 경우에, 공급량을 제어하기 위한 중요한 파라미터로 된다. 예를 들면, 가스화 로 압력이 너무 낮으면, 가스 터빈(5b)이 필요로 하는 양의 연료 가스를 공급할 수 없게 될 가능성이 있다.
이에 반해, 상기와 같이 산화제 유량 제어부(52)는 MWD에 근거하는 가스화 로 압력의 설정값과 가스화 로 압력의 계측값의 압력 편차에 근거하여 산화제 유량을 결정하므로, 가스 터빈(5b)을 구비하는 IGCC 플랜트(1)의 운전에 적절한 산화제 유량이 결정되게 된다.
또한, MWD에 근거하여 결정되는 산화제 유량은 GID에 의해서 보정되는 것이 바람직하다.
MWD는 IGCC 플랜트(1)에 대해 요구하는 발전 출력이기 때문에, 큰 변동이 생기기 어려워, 석탄 가스화 로(3)의 상태를 반영한 지령값이라고는 말하기 어렵다. 이 때문에, MWD에 근거하여 결정되는 산화제 유량을 석탄 가스화 로(3)의 상태를 반영한 지령값인 GID로 보정(예를 들면, MWD에 근거하여 결정되는 산화제 유량에 대해 GID의 변화량에 따른 계수를 승산 등)하는 것에 의해, 보다 적정한 산화제 유량이 결정되어, 석탄 가스화 로(3)의 생성 가스 발열량의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 산화제 유량 제어부(52)는 가스화 로 압력을 상승시키는 경우(제어 설정값에 대한 압력 편차가 마이너스로 되는 경우), 산화제 유량을 상한값 내로 제어하는 것이며, 석탄 가스화 로(3)의 가스화 로 압력을 감소시키는 경우, 산화제 유량의 제어량에 제한값을 마련하지 않는다.
도 3은 압력 편차와 산화제 유량의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서의 압력 편차가 마이너스란, 가스화 로 압력의 계측값이 MWD에 근거하는 가스화 로 압력의 설정값을 하회하는 것을 의미하고, 압력 편차가 플러스란, 가스화 로 압력의 계측값이 MWD에 근거하는 가스화 로 압력의 설정값을 상회하는 것을 의미한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 압력 편차가 마이너스로 되는 경우, 산화제 유량은 석탄 유량과 함께 MWD에 근거하여 상한값의 범위 내에서 증가한다. 한편, 압력 편차가 플러스로 되는 경우, 산화제 유량은 석탄 유량과 함께 MWD에 근거하여 아무런 제한없이 감소한다.
압력 편차가 플러스로 되는 경우, 산화제 유량의 제어량에 제한값을 마련하면, 산화제 유량이 저하되지 않음에도 불구하고, 석탄 유량만이 저하하여, 그 결과, 공기비가 너무 높아질 가능성이 있다. 그렇게 하면, 석탄이 보다 완전 연소에 가까워져, 석탄 가스화 로(3)에서 충분한 가연성 가스가 생성되지 않아, 그 결과, 가스 터빈(5b)이 실화될 우려가 있다. 이 때문에, 압력 편차가 플러스로 되는 경우에, 산화제 유량의 제어량에 제한값을 마련하지 않는 것에 의해서, 가스 터빈(5b)의 실화를 방지할 수 있다.
다음에, 본 제 1 실시 형태에 따른 산화제 유량의 제어에 대해 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 제 1 실시 형태에 따른 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량의 변동에 따른 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동한 예로서 석탄 가스화 로(3)의 생성 가스 발열량이 감소한 경우에 대해 설명한다. 이 경우 가스 터빈(5b)는, MWD를 만족하기 위해서 보다 많은 연료 가스를 필요로 하기 때문에, 가스화 로 압력이 저하되기 시작한다.
이 때문에, GID에 근거하여, 석탄 가스화 로(3)에 공급되는 석탄 유량이 증가된다. 또한, 이에 따라, 산화제 유량 제어부(52)에 의해서, MWD에 근거하여 산화제 유량이 산출된다.
여기서, 종래의 IGCC 플랜트에서는, 공기비를 미리 정해진 설정값으로 유지하도록 제어하고 있었다. 그러나, 공기비를 일정하게 유지하는 것에 의해, 석탄 가스화 로(3)에 있어서의 다른 제어량(예를 들면 산화제 유량)에 오버슛이 발생하여, IGCC 플랜트(1) 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요하는 경우가 있었다.
그래서, 본 제 1 실시 형태에 따른 산화제 유량은, 상술한 바와 같이, 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 소정의 상한값 내로 제어된다. 도 4의 산화제 유량의 변화를 나타낸 그래프에서, 산화제 유량이 상승한 후에 그 변화가 일정하게 되어 있을 때가, 산화제 유량의 제어량이 제한되고 있을 때이다.
여기서, 산화제 유량의 제어량이 제한되는 경우에 있어서의 공기비에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 산화제 유량과 석탄 유량과 공기비 λ의 관계를 나타낸 그래프이다.
우선, 공기비 λ=1.0인 경우는, 석탄이 완전 연소되기 때문에, 석탄 가스화 로(3)에서 생성 가스 중의 가연성 가스(예를 들면 CO)가 생성되지 않는다. 이 때문에, 통상 운전에서 공기비는 가스 터빈(5b)에서 연소시키기 위해 필요한 발열량을 가지는 가연성 가스가 생성되는 값으로 된다. 또한, 석탄 가스화 로(3)에서는, 가스의 생성에 따라 회분(灰分)이 생기기 때문에, 회분을 용해하여, 슬러그로서 배출해야 한다. 이 때문에, 공기비는 석탄 가스화 로(3)가 회분을 용해할 수 있는 온도로 되도록 제어된다.
종래는 석탄 유량과 산화제 유량의 변화를 동일하게 하여, 공기비가 연료 가스를 충분히 생성함과 아울러 회분을 용해하는 최적값(설정값)으로 항상 유지되도록 제어되고 있었다. 그러나, 이 제어에 의해, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동한 경우나 IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동한 경우에, 산화제 유량의 오버슛이 발생하여, IGCC 플랜트(1)의 정정(靜定)에 시간을 요하고 있었다.
한편, 공기비가 최적값로부터 일시적으로 낮아졌다고 하여도 IGCC 플랜트(1)의 운전에 지장을 주지 않는 것이 새롭게 발견되었다.
그래서, 본 제 1 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 공기비가 최적으로 된 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 산화제 유량의 제어량에 제한을 마련하는 것에 의해서, 석탄 가스화 로(3)에 공급되는 석탄 유량에 대한 산화제 유량을 작게 하고, 제한이 없는 통상 운전에 비해 공기비를 저하시킨다.
이것에 의해, 석탄 가스화 로(3)에서 생성되는 가스 중의 가연성 가스의 생성량이 증가한다. 따라서, 생성 가스 발열량이 종래에 비해 보다 빠르게 증가하여, 보다 고속으로 IGCC 플랜트(1)이 정정된다(종래의 10~20% 정도 단축).
또한, 이와 같이 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 산화제 유량에 적극적으로 상한값이 마련되는 것에 의해서, 산화제 유량의 오버슛이 억제된다.
종래부터, 산화제 유량에 오버슛이 생긴다고 예측되는 경우, 석탄 가스화 로(3)로의 산화제(공기)의 공급 설비인 공기 승압기(17)의 용량에 오버슛 마진을 고려할 필요가 있었다. 그리고, 공기 승압기(17)의 용량에 오버슛 마진을 고려하면, 통상 운전시의 운전점과 오버슛 마진을 고려한 설비 계획점의 괴리가 커지기 때문에, 통상 운전시의 공기 승압기(17)의 동력이 최적값(최소치)으로부터 벗어나, 여분의 동력을 필요로 하였다.
그러나, 본 제 1 실시 형태에서는, 고려해야 할 오버슛 마진이 작아지므로, 공기 승압기(17)의 용량을 종래에 비해 작게 할 수 있다. 그리고, 오버슛 마진이 작아질수록, 공기 승압기(17)의 설비 계획점과 통상 운전시의 운전점의 어긋남이 억제되어, 여분의 동력도 억제되게 된다.
구체적으로는, 종래에서는 오버슛 마진으로서 공기 승압기(17)의 용량의 10% 정도를 추측하고 있었지만, 본 제 1 실시 형태에서는, 오버슛 마진을 그 절반 이하로 할 수 있다.
또, 상한값이 마련되는 것에 의해서, 공기 압축기(5c)로부터 석탄 가스화 로(3)로의 추출량도 감소한다. 이것에 의해서, 공기 압축기(5c)로부터 가스 터빈(5b)의 연소기(5a)에 공급되는 압축 공기도 감소하는 일이 없기 때문에, 공기 압축기(5c)의 부하를 높이는 일없이 가스 터빈(5b)의 출력을 유지할 수 있다.
또, 상한값은 공기비가 너무 낮아지지 않도록 설정할 필요가 있다. 구체적으로는, 석탄의 연소에 의해, 석탄 가스화 로(3) 내의 회분을 용해할 수 있고, 또한 석탄 가스화 로(3)의 내압을 적정하게 할 수 있는 값으로 한다.
또한, 상한값은 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량의 변동의 크기 또는 IGCC 플랜트(1)의 부하의 변동의 크기에 따라 변경되어도 좋다. 예를 들면, 변동이 보다 큰 경우는 상한값을 보다 작게 한다. 상한값을 작게 하는 것에 의해, 공기비가 낮아지고, 생성 가스 중의 가연성 가스의 생성량이 보다 많아져, IGCC 플랜트(1)를 보다 빠르게 정정할 수 있다.
도 6은 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)의 부하의 변동에 따른 각종 상태량의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, IGCC 플랜트(1)의 부하를 상승시키는 경우, 선행 신호에 의해 요구 부하를 만족하도록, 석탄 유량, 산화제 유량이 증가된다.
이 경우도, 산화제 유량은 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 소정의 상한값 내로 제어된다.
이것에 의해서, 생성 가스 중의 가연성 가스의 생성량이 보다 많아지는 것에 의해, 가스화 로 압력도 보다 빠르게 상승하여, IGCC 플랜트(1)가 보다 빨리 정정되게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)는 산화제를 이용하여 석탄을 가스화시키는 석탄 가스화 로(3), 및 석탄 가스화 로(3)에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비(22)에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈(5b)을 구비한다. IGCC 플랜트(1)의 제어 장치(50)는 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량의 변동 또는 IGCC 플랜트(1)의 부하의 변동에 따라, 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 어긋나는 것을 허용하고, 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어한다.
따라서, 본 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)는 산화제의 공급 설비의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 IGCC 플랜트(1) 전체의 제어를 신속하게 안정시킬 수 있다.
(제 2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대해 설명한다.
또, 본 제 2 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)의 구성은 도 1에 나타내는 제 1 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)의 구성과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동한 경우나 IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동한 경우에도, 종래는 IGCC 플랜트(1)가 정정 상태인 경우와 변함없이, 공기비를 고정한 공기비 고정 모드로 제어하고 있었다. 또, 공기비를 고정한 제어란, 환언하면 공기비를 일정하게 유지하는 제어이다. 그러나, 공기비를 고정하는 것에 의해, 석탄 가스화 로(3)에 있어서의 다른 제어량(예를 들면 산화제 유량)에 오버슛이 발생하여, IGCC 플랜트(1) 전체의 제어가 안정되는데 시간을 요하는 경우가 있었다.
그래서, 본 제 2 실시 형태에서는, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동한 경우, 공기비 고정 모드로부터 공기비를 변동 가능하게 하는 공기비 변동 모드로 운전 모드를 전환한다.
석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동한 경우, 공기비 변동 모드가 되는 것에 의해서, 산화제 유량이 부하에 따라 변동하므로, 산화제 유량의 오버슛이 억제된다. 또한, 산화제 유량의 오버슛이 억제되는 것에 의해서, 석탄 가스화 로(3)에 공급되는 탄소 함유 연료량에 대한 산화제 유량이 작아지기 때문에, 석탄 가스화 로(3)에서 생성되는 가스 중의 가연성 가스(예를 들면 CO)의 생성량이 증가하므로 생성 가스 발열량이 종래에 비해 보다 빠르게 증가해서, 보다 단시간에 IGCC 플랜트(1)가 정정된다.
또한, 산화제 유량의 오버슛이 억제되기 때문에, 산화제의 공급 설비인 공기 승압기(17)의 용량에 대해 고려하는 오버슛 마진이 작아지므로, 공기 승압기(17)의 용량을 종래에 비해 작게 할 수 있다. 또한, 오버슛 마진이 작아질수록, 공기 승압기(17)의 설비 계획점과 통상 운전시의 운전점의 어긋남이 억제된다.
따라서, 본 제 2 실시 형태에 따른 IGCC 플랜트(1)는 공기 승압기(17)의 용량을 증가시키는 일없이, 또한 플랜트 전체의 제어를 신속히 안정시킬 수 있다.
여기서, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동하는 원인, 환언하면 IGCC 플랜트(1)의 발전 출력에 헌팅이 발생하는 원인은 이하이기 때문이다.
가스 터빈(5b)으로의 연료 공급량이 증가하면, 도 7의 가스화 로 압력의 시간 변화의 영역 A로 나타내는 바와 같이, 실제의 가스화 로 압력(계측값)과 가스화 로 압력의 설정값의 편차가 확대된다. 이에 따라, 도 7의 산화제 유량의 시간 변화의 영역 B로 나타내는 바와 같이, 가스 터빈(5b)의 공기 압축기(5c)로부터의 추출량이 증가하여, IGCC 플랜트(1)의 발전 출력이 감소한다.
즉, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량이 변동하는 원인은 가스화 로 압력의 계측값과 가스화 로 압력의 설정값의 편차가 커지는 것에 있다고 생각할 수 있다. 또, IGCC 플랜트(1)이 정정시의 경우는 가스화 로 압력의 설정값과의 편차는 0 또는 그보다 작다.
그래서, 본 제 2 실시 형태에서는, 가스화 로 압력의 계측값과 가스화 로 압력의 설정값의 편차가 정정시에 비해 커진 경우에, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동했다고 판단한다. 이것에 의해, 가스화 발전 플랜트의 부하 변동의 유무가 간이하게 판단된다.
도 8은 본 제 2 실시 형태에 따른 제어 장치(50)의 구성을 나타내는 기능 블럭도이다.
본 제 2 실시 형태에 따른 제어 장치(50)는 운전 모드 전환부(80)를 구비한다.
운전 모드 전환부(80)는 편차 산출부(82), 헌팅 판단부(84), 및 운전 모드 설정부(86)를 구비한다.
편차 산출부(82)는 가스화 로 압력의 계측값과 설정값의 편차(이하 「압력 편차」라고 함)를 산출한다.
헌팅 판단부(84)는 압력 편차의 시간 미분에 근거하여, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동의 유무를 판단한다.
운전 모드 설정부(86)는 IGCC 플랜트(1)의 운전 모드를 공기비 고정 모드 또는 공기비 변동 모드로 설정한다.
편차 산출부(82)에서 산출된 압력 편차는 헌팅 판단부(84)에 입력된다.
헌팅 판단부(84)는 압력 편차의 시간 미분이 소정값 이상으로 된 경우에, 가스화 로 압력의 계측값과 설정값의 괴리가 포함되지 않는 경향이 있어, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동했다고 판단한다. 또, 소정값은 미리 정해진 값이며, 시뮬레이션이나 실제의 운전에 근거하여 미리 설정된다.
헌팅 판단부(84)에 의해서 IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동했다고 판단된 경우, IGCC 플랜트(1)의 운전 모드는 운전 모드 설정부(86)에 의해서 공기비 변동 모드로 설정된다. 한편, 압력 편차의 시간 미분이 소정값 미만인 경우, IGCC 플랜트(1)의 운전 모드는 운전 모드 설정부(86)에 의해서 공기비 고정 모드로 설정된다.
또한, IGCC 플랜트(1)로서, 증기 터빈 설비(7)의 구동축이 가스 터빈(5b)의 구동축과 동일 축이 아닌 플랜트가 있다. 이러한 IGCC 플랜트(1)에서는, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동한 경우를, 가스 터빈(5b)의 출력이 증가되지 않는 한편, GID가 증가되는 경우로 한다. GID가 증가하면, 도 7의 석탄 유량의 시간 변화의 영역 C로 나타내는 바와 같이, 석탄 유량이 증가한다.
이러한 IGCC 플랜트(1)의 제어 장치(50)는 편차 산출부(82)에 GID와 가스 터빈(5b)의 출력값(GTMW)이 입력된다. 그리고, 헌팅 판단부(84)가, GID와 GTMW의 비의 시간 미분에 근거하여, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동의 유무를 판단한다. 그리고, IGCC 플랜트(1)의 부하가 변동했다고 판단된 경우, IGCC 플랜트(1)의 운전 모드는 운전 모드 설정부(86)에 의해서 공기비 변동 모드로 설정된다.
이상, 본 발명을, 상기 각 실시 형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 각 실시 형태에 기재된 범위에 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 각 실시 형태에 다양한 변경 또는 개량을 부가할 수 있고, 해당 변경 또는 개량을 부가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
예를 들면, 상기 각 실시 형태에서는, 가스 터빈(5b)의 공기 압축기(5c)로부터 추출된 공기를 공기 승압기(17)에서 가압하고, 산화제로서 석탄 가스화 로(3)에 공급하는 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, 공기 압축기(5c)로부터 추출된 공기를 ASU(15)에 공급하고, 산소의 제조에 이용하는 형태로 하여도 좋다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 산화제 유량을 MWD에 근거하여 결정하는 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, 산화제 유량을 GID에 근거해서 결정하는 형태로 하여도 좋다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 석탄 가스화 로(3)의 운전 상태량의 변동의 유무를 가스화 로 압력의 계측값과 설정값의 편차에 근거하여 판단하는 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, 석탄 가스화 로(3)의 출구 압력의 계측값과 설정값의 편차, 가스 정제 설비(22)의 출구 압력의 계측값과 설정값의 편차, 또는 가스 터빈(5b)의 입구 압력의 계측값과 설정값의 편차에 근거해서 결정하는 형태로 하여도 좋다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 산화제 유량을 MWD에 근거하는 가스화 로 압력의 설정값과 계측값의 편차에 근거하여 결정하는 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, MWD에 근거하는 석탄 가스화 로(3)의 출구 압력의 설정값과 계측값의 편차, MWD에 근거하는 가스 정제 설비(22)의 출구 압력의 설정값과 계측값의 편차, 또는 MWD에 근거하는 가스 터빈(5b)의 입구 압력의 설정값과 계측값의 편차에 근거하여 결정하는 형태로 하여도 좋다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 본 발명에 따른 가스화 발전 플랜트로서, 증기 터빈 설비(7)를 구비한 IGCC 플랜트(1)로 하는 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 증기 터빈 설비를 구비하지 않는 가스화 발전 플랜트에 적용하는 형태로 하여도 좋다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 산화제 유량 제어부(52)는 계수 연산부 및 계수 승산부를 마련하고 있지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니며, 증가량 연산부 및 증가량 가산부를 구비하는 형태로 하여도 좋다. 여기서 증가량 β는 공기비를 미리 정해진 설정값으로 하는 산화제 유량이다. 증가량 연산부는 증가량β을 변수로 한 함수, 또는 압력 편차에 따른 산화제 유량을 나타낸 테이블 등에 근거하여, 증가량 β를 산출한다.
또, 증가량 가산부에서 산출되는 산화제 유량이 상기 실시 형태에서 계수 승산부에서 산출되는 산화제 유량 설정값에 대한 제한값을 초과하는 경우, 증가량 β도 계수 α와 마찬가지로 제한값을 마련하는 것으로 하여도 좋다.
1: IGCC 플랜트
3: 석탄 가스화 로
5b: 가스 터빈
7: 증기 터빈 설비
8: 산화제 공급로
22: 가스 정제 설비
50: 제어 장치
52: 산화제 유량 제어부
80: 운전 모드 전환부

Claims (10)

  1. 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로(爐), 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제하여 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 상기 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치로서,
    상기 가스화 발전 플랜트가 정정(靜定) 상태인 경우, 탄소 함유 연료의 이론(理論) 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비를 고정으로 하는 공기비 고정 모드로 하고, 상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동한 경우 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 산화제량을 부하에 따라 변동시키는 것에 의해 상기 공기비를 변동 가능하게 해서 상기 공기비를 저하시키는 공기비 변동 모드로 하는 전환 수단을 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동하는 경우란, 상기 가스화 로의 압력의 계측값과 가스화 로 압력의 설정값의 편차가 정정(靜定)시에 비해 커진 경우인 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화 발전 플랜트는, 상기 가스화 로 및 상기 가스 터빈의 배기 가스에 의해 가열된 증기에 의해서 구동되고, 상기 가스 터빈의 구동축과 상이한 구동축을 갖는 증기 터빈을 구비하고,
    상기 가스화 로의 운전 상태량이 변동하는 경우란, 상기 가스 터빈의 출력이 증가되지 않는 한편, 상기 가스화 로에 투입되는 입열(入熱)을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령이 증가하는 경우인 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  4. 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 상기 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치로서,
    상기 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하의 변동에 따라, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 저하하는 것을 허용하여 산화제량을 부하에 따라 변동시키고, 또한 상기 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어하는 산화제량 제어 수단을 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화제량은 상기 가스화 발전 플랜트에 대한 출력 지령값에 근거하는 상기 가스화 로의 압력의 설정값과 상기 가스화 로의 압력의 계측값의 편차에 근거하여 결정되는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출력 지령값에 근거하여 결정되는 상기 산화제량은 상기 가스화 로에 투입되는 입열을 규정하는 파라미터인 가스화 로 입력 지령에 의해서 보정되는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제량 제어 수단은 상기 가스화 로의 압력을 상승시키는 경우에만, 산화제량을 상기 상한값 내로 제어하는 가스화 발전 플랜트의 제어 장치.
  8. 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로와,
    상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈과,
    청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치
    를 구비하는 가스화 발전 플랜트.
  9. 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 상기 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법으로서,
    상기 가스화 발전 플랜트가 정정 상태인 경우, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비를 고정으로 하는 공기비 고정 모드로 하고, 상기 가스화 발전 플랜트의 부하가 변동한 경우, 산화제량을 부하에 따라 변동시키는 것에 의해 상기 공기비를 변동 가능하게 하여 상기 공기비를 저하시키는 공기비 변동 모드로 하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법.
  10. 산화제를 이용하여 탄소 함유 연료를 가스화시키는 가스화 로, 상기 가스화 로에 의해서 생성된 가스를 가스 정제 설비에서 정제해서 얻어지는 연료 가스를 연소시킨 연소 가스에 의해서 구동하는 가스 터빈, 및 상기 가스 터빈의 공기 압축기로부터 추출한 공기 또는 상기 공기로부터 분리되는 산소를 상기 가스화 로의 산화제로서 공급하는 산화제 공급로를 구비하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법으로서,
    상기 가스화 로의 운전 상태량의 변동 또는 상기 가스화 발전 플랜트의 부하의 변동에 따라, 탄소 함유 연료의 이론 연소 산화제량에 대해 상기 가스화 로에 공급되는 산화제량의 비인 공기비가 미리 정해진 설정값으로부터 저하하는 것을 허용하여 산화제량을 부하에 따라 변동시키고, 또한 상기 가스화 로에 공급하는 산화제량을 소정의 상한값 내로 제어하는 가스화 발전 플랜트의 제어 방법.
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