专利名称：燃料气体的水分监视装置以及水分监视方法
技术领域：
本发明涉及燃料气体的水分监视装置以及水分监视方法。更详细地说，涉及监视 提供给燃烧设备的燃料气体包含的水分的装置和方法。
背景技术：
在制铁领域中，例如釆用高炉方法生产生铁的情况下，从高炉中产生副产品气体炉顶气(即高炉瓦斯(Blast famace gas)，以下简称为BFG )。近年来，以省能等 为目的，将这些副产品气体作为燃气轮机发电设备的燃料气体使用的例子正在增加。 而且正在研究高炉炼铁方法以外的新制铁工艺(例如FINEX和COREX等直接还原铁法)，这样的新工艺发生的副产品气体等作为燃料有效利用的例子也正在出现。另一方面，这些副产品气体中包含硫化氢、氰化氢、氯化物、硫化羰、氨气等杂 质，此外还包含水蒸气。而且，通常副产品气体在其发生时由于是高温，由于利用水 的喷雾冷却，作为燃料气体提供时其中的水蒸气处于饱和状态下。这样的气体作为燃料使用的情况下，气体中的水分如果由于某种原因超过规定的 上限设定值，就会在燃料气体的供给线上凝集形成液体水。这样一来，该凝集的水会 附着于燃料气体供给设备、燃烧设备、排热回收设备等的配管和机器等上，由于与上 述杂质相互作用，可能使腐蚀发生。而且如果燃料气体中水分大幅度增加，则作为燃 料的发热量相对下降，有可能使得使用该燃料气体的燃烧设备的效率、例如单个燃气 轮机和整个发电设备的效率降低。而且，在以副产品气体为燃料的燃气轮机发电设备中> 副产品气体的供给压力为 低压(约为1大气压+数百mmAq左右)，因此有必要使用压缩机将其压縮。被压 缩的副产品气体不干燥的状态下，水分会凝集生产水滴，因此有可能在压缩机上发生 腐蚀，或造成灰尘附着降低压缩效率。这样，燃料气体处于干燥状态是防止机器受到 腐蚀，确保压縮性能，维持发电设备的效率的前提条件。但是作为燃料气体的副产品 气体是自然发生的气体，气体的性能不断发生变动，而且不能够对该气体的发生源进 行直接控制。为了去除燃料气体中的水分，已知可以采用对燃料气体进行具备压缩的手段、冷 却的手段、水分吸收手段的燃料气体供给装置(参照专利文献l)。而且，为了有效地对燃料气体除湿、和检测与水分有关的不良情况发生的原因，也希望进行水分监视，以确认燃料气体中的水分处于饱和以下的状态，但是，例如燃 气轮机的燃料气体中的水分的监视向来未曾做过，因此也不知道监视的技术。即使是 想要将例如已知作为一般的气体中的水分检测器的镜面反射式、电容器式、电阻式等 各种水分检测器使用于燃料气体中的水分监视，也因为这些检测器主要是检测大气中 的水分的检测器，对于长期可靠地监视具有毒性、可燃性、腐蚀性的副产品气体是不 合适的。燃料气体的水分管理用的测量器为了检测这种异常情况，必须是能够长期稳 定地持续发挥其性能的高可靠性的测量器。 专利文献l:特开2004 - 92565号公报发明内容本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于提供在检测出副产品气体等 燃料气体中的水分时，不使用特殊装置，而根据简单的原理，将现有的设备中使用的 实际上有效的设备和测量器作为其要素加以组合，以此提高可靠性的，长寿命的水分 监视装置，而且提供监视水分的方法。本发明的燃料气体的水分监视装置，设置于燃料气体供给设备，具备对提供给燃 料气体供给设备的燃料气体的一部分进行取样的气体提取装置、以及使利用该气体提 取装置取样的气体的压力为与提供给燃料气体供给设备的燃料气体的水蒸气饱和压 力大致相同的压力，使该取样气体的温度为提供给燃料气体供给设备的燃料气体的水 蒸气饱和温度附近的温度，以此检测出能够从该取样气体中生成的凝集水的水分检测 装置。利用这样的结构，在所提供的燃料气体中的水分由于某种原因而增加的情况下， 能够检测出从取样气体产生的凝集水。借助于此，能够判定燃料气体中的水分增加。最好是所述燃料气体供给设备具备利用液体热介质对燃料气体进行加热的加热 装置和进行冷却的冷却装置中的至少一种装置，所述气体提取装置形成能够从该加热 装置或冷却装置的下游侧对燃料气体取样的结构。如果是利用水等液体热介质对燃料 气体进行加热或冷却的热交换器，则这种液体泄漏到燃料气体中的可能性是有的。因 此如果从这些装置的下游侧进行取样取得的取样气体中检测出凝集水，则可推测燃料 气体中水分的增加的原因是上述装置。在所述水分检测装置中，所述水分检测装置可具备在燃料气体供给设备中，燃料 气体被设定于水蒸气饱和的状态的燃料气体通路上设置的气体温度检测器、使利用所 述气体提取装置取样的气体的压力为与所述气体温度检测器检测出的检测温度下的 水蒸气饱和压力大致相同的压力的气体压力调节装置、使保持与水蒸气饱和压力大致 相同的压力的上述取样气体的温度邻近所述气体温度检测器检测出的检测温度的温度调节装置、以及检测来自所述取样气体的凝集水的凝集水检测器。可以形成这样的结构，即所述气体压力调节装置设定成能够使取样气体的压力为水蒸气饱和压力，所述气体温度调节装置设定成能够使取样气体的温度为比所述气体温度检测器检测出的温度高规定值的温度，所述凝集水检测器形成能够检测出有无来自取样气体的凝集水发生的结构。这样，将取样气体的温度设定为比水蒸气饱和温度高规定值的温度，能够使燃料气体中的水分的比例在通常的不成问题的范围内变动，或在发生测量误差等情况下能够将其吸收，维持稳定的监视动作。于是，在实际检测出凝集水发生时能够判定燃料气体中水分增加。上述气体压力调节装置设定成能够使取样气体的压力为水蒸气饱和压力，所述气 体温度调节装置设定成能够使取样气体的温度为比所述气体温度检测器检测出的温 度低规定值的温度，所述凝集水检测器形成能够检测出来自取样气体的凝集水的发生 量的结构。通过这样使所述取样气体的温度比水蒸气饱和温度低规定值，虽然即使燃料气体 是处于水蒸气饱和状态下也会发生凝集水，但是根据凝集水检测器检测出的凝集水的 发生量，能够判定燃料气体中的水分是否增加。所述气体压力调节装置可由在对燃料气体进行取样的通路上形成的节流构件构成。设置多对由所述气体温度调节装置与凝集水检测器构成的对，各气体温度调节装 置设定成能够使利用所述气体压力调节装置调节为一定的压力的取样气体为相互不 同温度的气体。通过这样做，即使是例如燃料气体中的水分增加的情况下，也能够由 上述多个对根据增加的程度依序检测凝集水，因此能够了解水分比例的变化。本发明的另一水分监视装置，设置于具备利用液体热介质对流过燃料供给通路的 燃料气体进行加热的加热装置和进行冷却的冷却装置中的至少一种装置的燃料气体 供给设备中，该水分监视装置具备使液体热介质在全部加热装置或冷却装置中循环的热介质循环通路、将热介质提 供给该热介质循环通路的热介质贮留容器、以及检测该热介质贮留容器内的热介质的 量的热介质检测装置，形成能够根据该热介质检测装置的检测结果检测出热介质是否 从加热装置或冷却装置向燃料气体供给通路内泄漏的结构。采用这样的结构，则即使是在例如上述加热装置或冷却装置中有液体热介质混入 燃料气体中发生燃料气体中水分增加的事态，那时也能够从热介质贮留容器向热介质 循环通路补充热介质，因此通过检测热介质贮留容器内的热介质的量的变化，能够觉 察上述事态的发生。本发明的燃料气体的水分监视方法，是监视提供给燃烧设备作为燃料的气体中的 水分的方法，包含下述工序，即对所提供的燃料气体的一部分进行取样的气体提取工序、使取样的气体的压力为与所提供的燃料气体的水蒸气饱和压力大致相同的压力， 使其温度邻近所提供的燃料气体的水蒸气饱和温度的压力温度调节工序、以及 检测处于这样的压力和温度的取样气体发生的凝集水的凝集水检测工序， 根据凝集水的检测结果对燃料气体的水分进行监视。 所述压力温度调节工序可包含检测设定为水蒸气饱和状态的燃料气体的温度的气体温度检测工序、 在所述气体提取工序中，使取样的气体的压力为与所述气体温度检测工序中的检测温度下的水蒸气饱和压力大致相同的压力的气体压力调节工序、以及在所述气体提取工序中，使取样的气体的温度与所述气体温度检测工序中的检测温度邻近的气体温度调节工序。在所述气体压力调节工序中，使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 在所述气体温度调节工序中，使取样气体的温度为比所述气体温度检测工序中的检测温度高规定值的温度，在所述凝集水检测工序中，可通过检测有无来自取样气体的凝集水发生对燃料气体的水分进行监视。在所述气体压力调节工序中，使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 在所述气体温度调节工序中，使取样气体的温度为比所述气体温度检测工序中的检测温度低规定值的温度，在所述凝集水检测工序中，可通过检测来自取样气体的凝集水的量对燃料气体的水分进行监视。如果采用本发明，则能够提供通过采用简单的原理和简单的结构，提供可靠性高 而且长寿命的水分监视装置。而且也能够降低装置的维修保养频度和校准频度。
图1是例示具有设置本发明一实施形态的燃料气体的水分监视装置的燃料气体供给设备的燃气轮机发电设备的配管图。图2是表示燃料气体和从该燃料气体中取样的取样气体的温度变化的曲线图。图3是表示燃料气体中的水蒸气分压随温度的变化的水蒸气饱和曲线。图4是例示具有设置本发明一实施形态的水分监视装置的另一燃料气体供给设备的燃气轮机发电设备的配管图。图5是例示具有设置本发明另一实施形态的水分监视装置的燃料气体供给设备 的燃气轮机发电设备的配管图。图6是例示具有设置本发明又一实施形态的水分监视装置的燃料气体供给设备 的燃气轮机发电设备的配管图。图7是例示具有设置本发明又一实施形态的水分监视装置的燃料气体供给设备 的燃气轮机发电设备的配管图。图8是例示具有设置本发明又一实施形态的燃料气体的水分监视装置的燃料气 体供给设备的燃气轮机发电设备的配管图。符号说明1水分监视装置2燃料气体供给设备3燃气轮机4燃气轮机发电设备气体供给配管6电气集尘器7气体加热器8低压压縮机9中间冷却器10高压压缩机11回流配管12断流阀13气体冷却器14气体提取配管15燃料气体温度计16节流构件17取样气体冷却器18冷凝水壶19取样气体温度计20控制装置21冷却水供给配管22流量调整阀23燃料气体供给设备24水分监视装置25排出阀26压力计27压力计31水分监视装置32热介质循环配管33热介质箱34热介质供给配管35断流阀36液面计37热介质泵38热介质用冷却器42发电机43空气压缩机44燃烧器45热量计46流量计47发电输出计50燃料压缩机51定量泵具体实施方式
下面参照附图对本发明的燃料气体的水分监视装置和水分监视方法的一实施形 态进行说明。图l是例示具有设置本发明一实施形态的燃料气体的水分监视装置1的燃料气体供给设备2和燃气轮机3的燃气轮机发电设备4的配管图。本发明的水分监 视装置的使用对象不限定于这样的燃气轮机发电设备4。在图1中，高炉或直接还原铁设备等气体发生源S产生的副产品气体被作为燃气 轮机3的燃料提供给燃料气体供给设备2的气体供给配管5。在连接到燃气轮机3的 气体供给配管5上，从上游侧开始依序设置电气集尘器6、气体加热器7、低压燃料 气体压缩机(以下简称为低压压缩机)8、中间冷却器9、高压燃料气体压缩机(以 下简称为高压压缩机)10。这样，在该燃料气体供给设备2，用低压和高压两级对燃 料气体进行压缩，两级压缩工序中利用中间冷却器9对燃料气体进行冷却。当然，本 发明的适用对象不限于这样结构的设备。在该气体供给配管5上连接能够使燃料气体的至少一部分从该燃气轮机3的入口跟前返回低压压缩机8的上游侧的回流配管11。在例如送电系统发生异常，有必要 在瞬间使燃料气体供给量减少的情况下，压缩机7、 8中的气体流量一旦减少，会发 生浪涌现象，可能产生振动，该回流配管11是为了避免发生这种情况使用的。回流 配管11的下游端的与气体供给配管5连接的位置，如果是连接到该燃料气体供给设 备2的从燃料气体的供给位置到低压压缩机8的低压线路，则任何位置都可以。在该 回流配管11上从其上游侧依序设置断流阀12、以及气体冷却器13。通常，该回流配 管ll在燃气轮机3启动时使用，在通常运行时上述断流阀12被关闭，燃料气体的流 通停止。上述气体冷却器13和上述气体加热器7以及中间冷却器9都是利用管道内 流通的温水或冷水等液体热介质对燃料气体进行加热或冷却的热交换器。当然也可以 使用其他种类的加热器或冷却器。上述水分监视装置1是从气体供给配管5的燃料气体的一部分中取样，检测该取 样气体中的水分的装置。对该燃料气体取样的气体提取配管14连接于气体供给配管 5的中间冷却器9与高压压縮机IO之间的部分上(图中用符号C表示)。如下所述， 该气体提取配管14为了使取样气体返回气体供给配管5,其下游端连接于气体供给 配管5的电气集尘器6与回流配管11的连接部之间(图中用符号D表示)。本燃料气体供给设备2中，为了冷却燃料气体，用水喷雾，在水蒸气饱和的状态 下将其提供给气体供给配管5。而且在电气集尘器6中，进一步用水喷雾以进行除尘。 在电气集尘器6中，利用雾沬分离器从燃料气体中去除液体成分。这样处理过的燃料 气体在送到气体加热器7之前可以认为大致为水蒸气饱和状态。而且通常在利用气体 加热器7加热之后，在送到燃气轮机3之前燃料气体保持水蒸气为饱和状态(干燥状 态)。但是，万一利用电气集尘器6的雾沬分离器从燃料气体中去除液体成分不够充 分，或从气体加热器7和中间冷却器9向燃料气体中泄漏液体热介质，燃料气体将变 成水蒸气饱和或过饱和的状态。其结果是，燃料气体供给设备2的低温部位可能附着 凝集水。从而，水分监视装置l就这样设置于有可能由于某些原因燃料气体形成水蒸 气饱和以上的状态的部分。也就是说，在本实施形态中，可以设置于从电气集尘器6 到燃气轮机3之间的气体供给配管5上。在所希望的部位设置水分监视装置1,使设置的部位的燃料气体样品减压降温。 也就是说，通过使取样气体的压力、温度下降到与燃料气体的取样位置的上游的水蒸 气饱和状态的燃料气体大致相同的压力、温度，以此检测凝集水(以下也称为冷凝水)。 借助于此，对燃料气体的水分进行监视。可以将上述水蒸气饱和状态的燃料气体的压 力和温度称为"基准压力"和"基准温度"。该基准温度釆用图1中的气体供给配管 5上的燃料气体温度计15的设置部位的燃料气体的温度。该部位的燃料气体为了在正常状态下保持于水蒸气饱和状态，基准压力采用该基准温度下的水蒸气饱和压力。在上述气体提取配管14上，从其上游侧依序设置作为使取样气体的压力下降用 的气体压力调节装置的节流构件16、作为使取样气体冷却的气体温度调节装置的取 样气体冷却器17、以及收集冷凝水的冷凝水壶18。该冷凝水壶18作为检测取样气体 (燃料气体)的水分的凝集水检测器起作用。冷凝水壶18中设置检测有无冷凝水发 生的冷凝水检测器(未图示)。冷凝水检测器也可以采用公知而且合适的任何检测器。 例如利用冷凝水发生造成的电气导通检测的检测器、检测冷凝水的重量的检测器、检 测冷凝水的贮水水平的检测器等。气体提取配管14的下游端如上所述连接于气体供给配管5的电气集尘器6与回 流配管11的连接部之间的位置D上。气体提取配管14的下游端的该连接部位D是流 过该气体供给配管5的燃料气体通常保持水蒸气饱和状态的地方。又连接于回流配管 11的连接部的上游侧，以便不受利用回流配管11回流的高压燃料气体的影响。因此，上述节流构件16的下游侧的气体提取配管14内的取样气体的压力形成与 气体供给配管5的连接气体提取配管14的下游端的部位D流过的燃料气体的压力(上 述基准压力)相同的压力。又，取样气体的温度利用取样气体冷却器17冷却到比气 体供给配管5的连接气体提取配管14的下游端的部位D流过的燃料气体的温度(即 上述基准温度，在图2中用符号Ts表示稍微高一点的温度(目标温度)。图2是表示气体发生源S提供的燃料气体经过电气集尘器6、气体加热器7、低 压压缩机8、中间冷却器9、从取样点C通过气体提取管14,经过取样气体冷却器17 和冷凝水壶18,到与气体供给配管5的连接点D的温度变化的一个例子。图2的纵轴表示气体温度，横轴表示气体通过的上述设备类等。如图l所示，在取样气体冷却器17的下游侧设置取样气体温度计19。又在取样 气体冷却器17的冷却水供给配管21上设置调整冷却水流量的流量调节阀22。作为 将取样气体调节为目标温度用的温度调节装置釆用取样气体冷却器17是因为取样气 体的温度是比基准温度Ts高的温度Ta。上述燃料气体温度计15、节流构件16、取 样气体冷却器17、冷凝水壶18、以及取样气体温度计19可以称为检测燃料气体的水 分用的水分检测装置。取样气体冷却器17利用控制装置20将取样气体温度控制为上述目标温度。也就 是说，控制装置20以比上述基准温度Ts稍微高的温度(Ts+ At)作为取样气体的 目标温度，为了消除取样气体温度计19检测出的取样气体的实际温度Ta与目标温度 Ts+At的偏差，对上述冷却水供给配管21的流量调整阀22的开度进行调节。为了 检测出超过燃料气体的水蒸气饱和点的水分增加，在将取样气体调整为基准温度和基 准压力时，由于下述理由，使冷凝水检测用的取样气体的目标温度比基准温度(饱和温度)Ts稍微高。也就是说，是为了吸收由于燃料气体的特性发生微小的变动，或 燃料流路的状态受到其设置场所的环境条件的影响而发生误差。该目标温度与基准温度之差At与蒸汽表(参照图3)所示的一定的蒸汽分压(换 句话说，燃料气体中的水分的体积比)对应地决定。因此相应于所提供的燃料气体的 温度改变。也就是说，At相应于设定为水蒸气饱和的上述低压线路的燃料气体的温 度改变。如图3所示，燃料气体的温度越高，则燃料气体的水蒸气分压的变化比例(水 蒸气分压随着燃料气体的温度变化而发生的变化)越大。由于这样与一定的水蒸气分 压对应地设定At,所以所提供的燃料气体的温度高时的At比温度低时的At有较低 的温度差。例如图3所示，在燃料气体温度为20 - 30'C左右时，与水分的体积比例 为约2% (图3中符号M所示)对应的温度差约为IO'C (图3中符号N所示)，而在 燃料气体温度为60'C附近，与水分的体积比例约2% (图3中符号X所示)对应的温 度差约为2'C (图3中符号N所示)。图3是纵轴表示水蒸气分压，横轴表示燃料气 体温度的饱和水蒸气曲线。这样， 一旦以水蒸气饱和状态提供的燃料气体由气体加热器7等加热为过热蒸汽 状态，通过使该燃料气体返回原来的接近水蒸气饱和的压力和温度，检测有无冷凝水， 能够了解燃料气体中水分是否异常增加。例如图1所示的实施形态中在电气集尘器6、 气体加热器7、以及中间冷却器9中如果混入燃料气体引起水分增加，则能够将这种 情况检査出来。为了这个目的，气体供给配管5中的燃料气体取样位置、即气体提取 配管14的连接位置C只要是在中间冷却器9的下游而且在燃气轮机3的上游的任意 位置即可。又，万一在气体提取配管14的取样气体冷却器17中有水分混入燃料气体 中，在这种情况下，由于在其下游设置有冷凝水壶18,因此能够进行检测。图4表示另一燃料气体供给设备23。在该设备23中，在气体供给配管5上只设 置一级的燃料气体压缩机50。而且也没有设置中间冷却器9。又，和中间冷却器9一 样，上述气体加热器7对于本发明也不是特别需要的构成构件。在该燃料气体供给设 备23中，水分监视装置1设置于燃料气体压缩机50的下游侧。该水分监视装置1的 构成与图1中的水分监视装置1实质上相同，因此其详细说明省略。如果采用该水分 监视装置1,则如果例如电气集尘器6和气体加热器7中有水分混入燃料气体中而引 起水分增加，则能够将其检测出。为了这个目的，燃料供给配管5的燃料气体取样位 置、即气体提取配管14的连接位置只要是在气体加热器7的下游而且是燃气轮机3 的上游，任意位置都可以。如上所述，水分监视装置1的设置位置、即气体供给配管5与气体提取配管l4 的连接位置C设定于水分有可能混入燃料气体中的设备的下游是方便的。也就是如图 5所示，图1的燃气轮机发电设备4的电气集尘器6、低压压縮机8、以及中间冷却器9各自的下游侧设置水分监视装置24、 1。这样一来，通过从特定的水分监视装置 检测出水分，大致能够确定哪一个设备6、 7、 8、 9中燃料气体中混入水分。于是能 够采取确切而且迅速的处置。在图5中对与图1中的相同的配管和相同的设备标以相同的符号并省略其详细说 明。在电气集尘器6的下游侧、低压压缩机8与中间冷却器9之间、以及中间冷却器 9的紧接着的下游侧分别连接气体提取配管14。低压压缩机8与中间冷却器9之间以 及中间冷却器9的下游侧的水分监视装置1在结构上实质上相同，两个监视装置1的 气体提取配管14相互连接，而且其下游端连接于气体供给配管5的电气集尘器6与 回流配管11的连接部之间的位置D上。两个监视装置l都利用节流构件16将取样气 体控制于上述基准压力，利用取样气体冷却器17将其控制于比基准温度Ts稍微高的 温度(Ts+At)。由于取样位置不同，两个节流构件16设定为不同的流路阻抗值。还有，在低压压縮机8与中间冷却器9之间连接监视用的气体提取配管14,是 因为从电气集尘器6到低压压缩机8,流路阻抗小，气体加热器7的紧接着的下游位 置上的燃料气体压力与气体提取配管14的下游端的燃料气体压力之差过小，取样气 体不能充分流动。由于这样的理由，以压力高的低压压縮机8的下游侧作为取样位置。另一方面，在电气集尘器6的上游设置的水分监视装置24与上述监视装置1不 同，在其气体提取配管14上不设置节流构件，也不设置取样气体冷却器，而设置确 保取样流量用的定量泵51和冷凝水壶18。又，该气体提取配管14与上述两监视器1 的气体提取配管14连接、合流。没有设置节流构件和取样气体冷却器是因为取样气 体的提取是在电气集尘器6与气体加热器7之间，即水蒸气饱和状态的燃料气体流过 的地方。因此取样气体不需要减压也不需要冷却。只要将水蒸气饱和状态的燃料气体 原封不动取样检测其有无冷凝水即可。当然为了使取样气体的温度为比基准温度Ts 稍微高的温度(Ts + At),也可以在气体提取配管14的冷凝水壶的上游侧设置加热器。在以上说明的实施形态中，将向燃料气体喷水雾的电气集尘器6、使用液体热介 质的气体加热器7、以及中间冷却器9主要看作水分供给源，在他们的下游侧设置水 分监视装置24、 1,但是不限于这样的结构。不限于燃气轮机发电设备，在其他燃烧 设备中，在上述机器6、 7、 9以外，只要是水分混入燃料气体中的可能性不为0的地 方，就在该处的下游侧设置水分监视装置1。而且也可以在各水分监视装置上设置能 够显示水分异常的情况发生或用声音提示的报警机构。这样一来，就能够推测在某一 个机器中燃料其他中是否混入水分，能够为该机器等的修复和改善进行必要的准备， 能够在最合适的时刻停止设备的工作能够进行短时间的工作。图6表示气体供给配管5的同一取样气体提取位置上具备取样气体冷却器l7的设定温度不同的多组水分监视装备1的情况。与图1中相同的配管和相同的设备标以 相同的符号并省略其详细说明。图6中，并列设置多组(本实施形态中为3组)水分 监视装置1,但是也可以串列设置。但是因为没有必要调节使得取样气体的压力损失， 并列配置为最理想。在气体供给配管的取样气体提取位置(中间冷却器9和高压压缩 机10之间)设置一根气体提取配管14,该气体提取配管14分叉为三根气体提取配 管14a、 14b、 14c。在上述一根气体提取配管14的部分设置节流构件16。分叉的配管14a、 14b、 14c 上分别设置取样气体冷却器17a、 17b、 17c、取样气体温度计19a、 19b、 19c、以及 冷凝水壶18a、 18b、 18c。而且气体提取配管14a、 14b、 14c再度汇合到 一根气体提 取配管14上，并且其下游端连接于气体供给配管5的电气集尘器6与回流配管11的 连接部之间的位置D上。对于取样气体冷却器17a、 17b、 17c,使例如第1取样气体冷却器17a的设定温 度为比基准温度Ts稍微高的温度(Ts + Atl ),第2取样气体冷却器17b的设定温 度为比第1取样气体冷却器的设定温度稍微高的温度(Ts+ Atl+ At2),第3取样 气体冷却器17c的设定温度为比第2取样气体冷却器的设定温度稍微高的温度(Ts + AU+ At2+ A3)。这些温度差是很小的。这样，燃料气体以相同的压力流入各 分支配管14a、 14b、 14c,各冷凝水壶18a、 18b、 18c中分别流入相互之间温度差很 小的气体。各取样气体冷却器的设定温度的比基准温度稍微高的温度Atl、 At2、 At3与 上面所述相同，与蒸汽表(参照图3)所示的一定的水蒸气分压(换句话说，燃料气 体中的水分的体积比)对应地决定。从而，AU、 At2、 At3相应于所提供的燃料 气体的温度、即相应于设定为水蒸气饱和状态的上述低压线路上的燃料气体的温度改 变。如果采用这样构成的水分监视装置，作为检测出由于某种原因燃料气体中的水分 增加的情况，有只利用第1冷凝水壶18a检测出冷凝水的第1情况、只利用第1和第 2冷凝水壶18a、 18b检测出的第2情况，利用全部冷凝水壶18a、 18b、 18c检测出 的第3情况。从预先将与规定的允许超过水分量对应的温度差示于图3的蒸汽表预先 计算出，将其作为与第3情况(假定为例如应该发出报警的情况)对应的Atl"H A。 + A3设定。然后依序设定与第2情况(假定为应该发出第2阶段的注意报警的情况) 对应的AU+ At2,与第1情况(假定为应该发出第1阶段的注意报警的情况)对应 的Atl。通过这样做，能够预告水分的增加。作为水分监视装置，可以采用测量每单位时间的冷凝水的发生量(以下也称为流 量)的冷凝水测量器代替图1、图4和图5的水分监视装置1中的冷凝水壶18上设置的冷凝水检测器、即单纯检查有无冷凝水的冷凝水检测器。这种水分监视装置(未 图示)的总体结构以图l、图4、图5的水分监视装置相同。不同点是如上所述设置 于冷凝水壶18的检测器采用测量每单位时间的冷凝水发生量的测量器，还有将取样 气体冷却器17的设定温度设定为比基准温度Ts稍微低的温度(Ts - 5t)。这样，.即使是燃料气体中没有意外增加水分的健全状态的燃料气体，也将取样 气体冷却器17的温度预先设定成能够从该取样气体中产生某一流量的冷凝水。该设 定温度与基准温度之差5t与上述At —样，对应于蒸汽表(参照图3)所示的一定 的水蒸气分压决定。从而，该5t相应于所提供的燃料气体的温度、即相应于设定为 水蒸气饱和状态的上述低压线路中的燃料气体的温度改变。采用这样的水分监视装置，则如果由于某种原因燃料气体中的水分增加，则冷凝 水的发生量随着增加。而且控制装置20计算例如相对于取样气体的质量流量，该取 样气体发生的冷凝水的质量流量的比例，判断燃料气体中的水分的增加程度。也就是 说，根据图3所示的蒸汽表，借助于计算预先求出冷凝水的质量流量相对于饱和水蒸 气状态的取样气体的质量流量的比例，将这一比例与实测的冷凝水的质量流量相对于 取样气体的质量流量的比例进行对比，以此进行判断。例如这一比例比规定值大时就 发出报警。该报警发生条件用下式表示如下。 (Wa/Ga) / (Ws/Gs) >1+ a在这里，Ga是实际测量的取样气体的质量流量，Wa是该取样气体中产生的冷凝 水的实际测量的质量流量，Ws是计算出的水蒸气饱和状态的取样气体的质量流量， Gs是从该取样气体中产生的冷凝水的计算质量流量，a是预先估计的余地(margin)。 上述Ws和Gs从气体供给配管5中的设定为水蒸气饱和状态的电气集尘器6的下游侧 的温度和压力根据图3所示的蒸汽表计算出。作为冷凝水流量的测量方法的一个例子，采用所谓水平控制。例如利用控制装置 20连续控制冷凝水壶18的底部的排出阀25的开度，使冷凝水壶18的水位为一定， 根据该排出阀25的开度计算冷凝水流量。又，断续开闭冷凝水壶18底部的排出阔 25,使冷凝水壶18的水位为一定，根据该开闭周期计算出冷凝水量。也可以采用其 他合适的任何测量方法。另一方面，取样气体的流量也可以从气体提取配管"上设置的节流孔、即节流 构件16的前后的压力差算出。在这种情况下，通常可以使用现有的燃气轮机发电设 备4的燃料气体供给设备上设置的压力计26、 27。该压力计如图l所示，通常是设 置于低压压缩机8的入口侧的压力计26和设置于高压压缩机10的入口侧的压力计 27。两个压力计26、 27与节流构件16保持距离设置， 一个压力计27到节流构件l6的入口之间的压力损失。以及节流构件16的出口到另一压力计26之间的压力损失都 比紧靠节流构件16的前后的压差小得多，因此也可以将这些压力计的测量值看作紧 靠节流构件16的前后的压力对气体流量进行计算。这样也可以利用已有的设备对燃 料气体中的水分进行监视。当然，也可以分别在紧靠节流构件16的前后位置上分别 为计算流量设置压力计，又可以采用气压表。又可以测量冷凝水流量，根据作为测量结果的流量值计算那时的燃料气体中的水 蒸气分压。其结果是，从图3所示的蒸汽表可以判定那时的燃料气体中的水蒸气在当 初设定为饱和状态的气体供给配管5内的条件下实际上是饱和蒸汽还是什么程度的 湿度的蒸汽。图7所示的是与图1的燃气轮机发电设备是相同的发电设备，但是该燃气轮机发 电设备4中装备有与图1的水分监视装置1不同的水分监视装置31。该水分监视装 置31是用于专门检测从冷却装置或加热装置混入燃料气体的水分的装置。在这种情 况下的冷却装置和加热装置使用液体的热介质，上述水分监视装置31也可以说是检 测这种热介质向燃料气体中的泄漏的装置。在图7所示的燃料气体供给设备2上设置的气体加热器7、中间冷却器9、以及 气体冷却器13中使提供给这些设备的液体热介质循环。也就是说如图所示，全部装 置7、 9、 13的热介质用管道32在整体上构成闭回路。使该热介质循环的配管(以下 称为热介质循环配管)32上连接对其补充热介质用的热介质箱33。热介质箱33上连 接对其提供热介质用的热介质供给配管34,该热介质供给配管34上设置断流阀(也 可以是流量调整阀)35。热介质箱33上安装于液面计36。控制装置20根据液面计 36的测量结果控制使热介质供给配管34的断流阀35开闭，使热介质箱33内的液面 位置、即热介质的量保持一定。从而，不限于液面计，只要是能够检测出热介质箱 33内的热介质的量，也可以采用气体公知的测量器。液体热介质釆用水。符号37所示的是使热介质在热介质循环配管32中循环用的 热介质泵。符号38所示的是使循环的热介质冷却用的热介质用冷却器。在本实施形 态中，热介质利用冷却器38冷却之后提供给中间冷却器9和气体冷却器13对燃料气 体进行冷却。其后，被提供给气体冷却器13的热介质返回热介质泵34使其循环，而 被提供给中间冷却器9的热介质在该处利用燃料气体加热，其后被送往气体加热器7 对上游侧的燃料气体进行加热。这样，热介质只要不发生泄漏等情况造成损失，就以 大致一定的量通过上述冷却器和加热器等循环。在这种情况下，热介质箱33的液面 位置不变。但是万一气体加热器7、中间冷却器9和气体冷却器13中发生热介质像燃料气 体中泄漏那样的情况，热介质就从热介质箱33向热介质循环配管32补充，因此热介质箱33内的液面暂时下降。从液面计36接收到液面下降信号后，控制装置20打开 断流阀35,使热介质向热介质循环配管32补充。又，控制装置20根据液面下降信 号也发出报警。借助于这样构成的水分监视装置31,能够觉察到水分可能混入燃料 气体中。或者也可以根据将热介质向热介质循环配管32补充用的断流阀35每单位时 间的开阀频度或开阀时间发出警报。又，在采用流量调整阀代替断流阀的情况下，也 可以监视其阔开度的变化，在开度大于规定值时使其发出警报。也可以将该水分监视 装置31与上述水分监视装置1等并用。图8表示另一水分监视装置。图8所示的是与图1的燃气轮机发电设备4相同的 发电设备4。这种水分监视装置利用现有的发电设备4中通常设置的测量器，监视根 据其测量结果计算出的燃气轮机3的发电端效率，能够根据其变化判断燃料其他中的 水分变化。图8更详细地表示出燃气轮机3。在该燃气轮机发电设备4，同轴连接燃气轮机 3、高压压缩机IO、低压压缩机8、以及发电机42，但是不限于这样的结构。压缩机 8、 IO也可以与燃气轮机分开设置，利用别的驱动源驱动。图中表示出燃气轮机3具 备的空气压缩机43和燃烧器44。上述水分监视装置通常利用已有的发电设备4的气体供给配管5上设置的上述燃 料气体温度计15、燃料气体的发热量(燃烧热量)测量用的热量计45、测量燃料气 体流量的流量计46、以及发电机42上设置的发电输出计47。上述热量计45测量去 除水分状态的(所谓干燥状态的)燃料气体的发热量。另一方面，上述流量计测量包 含水分的流量。燃烧气体温度计15设置于电气集尘器6的出口附近，热量计45设置 于气体供给配管5的任何位置。流量计46设置于燃烧器44的入口近旁、即设置于水 分混入气体供给配管5内的可能性不为0的设备的下游侧。借助于燃料气体温度计15、热量计45、流量计46等现有的测量器计算出作为燃 料气体输入到燃气轮机的热量，用上述发电输出计47计算出燃气轮机3的输出。将 燃气轮机的输入热量与燃气轮机输出之比称为上述发电端效率。热量计45如上所述 测量干燥状态的燃料气体的发热量，因此只要燃料气体的本身的特性不变，即使其中 包含的水分发生变化，测量的发热量的值也是一定的。另一方面，通常允许时燃气轮 机3的运行控制维持一定的输出。其结果是，在由于某种原因燃料气体中的水分增加 的情况下，供给的燃料气体每单位体积的发热量下降，因此进行控制使向燃气轮机输 送的燃料气体流量增加。其结果是，提供给燃气轮机的燃料气体的表观输入热量增加， 而另一方面发电输出维持一定，因此发电端效率下降。利用这样的水分监视装置检测出该发电端效率的下降，这样能够觉察有可能在燃 料气体中混入水分。在该发电端效率低下是由于设备异常引起的情况下，通过修复故障部分等迅速进行的处置，谋求稳定运行。而在作为燃料的副产品气体本身存在异常 的原因的情况下，可以重新估计气体发生工艺找出异常原因加以克服。又，可以早期 发现副产品气体异常引起的设备损伤，实施适当处置确保安全运行继续。作为以上说明的水分监视装置，上面均以设置于燃气轮机发电设备上的装置为 例，但是设置对象不限于燃气轮机发电设备上。只要是例如石化燃料焚烧炉发电设备、 气体熔融炉气体焚烧锅炉发电设备、内燃机发电设备等以气体为燃料使用的燃烧设备 中的燃料气体供给设备，不管在哪一种设备中都可以使用。又，通过以上说明的水分监视装置的使用或水分监视方法的实施，能够在运行中 检测出设备运行中发生的水分异常。而且如果在合适的地方设置多个水分监视装置 (例如参照图5),则不必为了调查设备中的异常处而停止运行，也能够推测异常的 地方。其结果是，能够对异常处的修复工作进行必要的准备，重新估计运行程序等， 策划对运行影响最小的工作行程。能够构筑可根据该工作行程配置人员，在最合适的 时间停止设备运行用较短的时间进行修复工作的设备管理方法。工业应用性本发明的燃料气体的水分监视装置能够利用燃料气体供给设备已经具备的现有 的机器。而且原理简单结构也简单，因此水分监视性能稳定而且能够长时间使用。
权利要求
1.一种燃料气体的水分监视装置，设置于燃料气体供给设备，其特征在于，具备对提供给燃料气体供给设备的燃料气体的一部分进行取样的气体提取装置、以及使利用该气体提取装置取样的气体的压力为与提供给燃料气体供给设备的燃料气体的水蒸气饱和压力大致相同的压力，使该取样气体的温度为提供给燃料气体供给设备的燃料气体的水蒸气饱和温度附近的温度，以此检测出能够从该取样气体中生成的凝集水的水分检测装置。
2. 根据权利要求1所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于， 所述燃料气体供给设备具备利用液体热介质对燃料气体进行加热的加热装置和进行冷却的冷却装置中的至少一种装置，所述气体提取装置形成能够从该加热装置或冷却装置的下游侧对燃料气体取样 的结构。
3. 根据权利要求1所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于，所述水分检 测装置具备在燃料气体供给设备中，燃料气体被设定于水蒸气饱和的状态的燃料气体通路上 设置的气体温度检测器、使利用所述气体提取装置取样的气体的压力为与所述气体温度检测器检测出的 检测温度下的水蒸气饱和压力大致相同的压力的气体压力调节装置、使保持与水蒸气饱和压力大致相同的压力的上述取样气体的温度邻近所述气体 温度检测器检测出的检测温度的温度调节装置、以及检测来自所述取样气体的凝集水的凝集水检测器。
4. 根据权利要求3所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于， 所述气体压力调节装置设定成能够使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 所述气体温度调节装置设定成能够使取样气体的温度为比所述气体温度检测器检测出的温度高规定值的温度，所述凝集水检测器形成能够检测出有无来自取样气体的凝集水发生的结构。
5. 根据权利要求3所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于，所述气体压力调节装置设定成能够使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 所述气体温度调节装置设定成能够使取样气体的温度为比所述气体温度检测器 检测出的温度低规定值的温度，所述凝集水检测器形成能够检测出来自取样气体的凝集水的发生量的结构。
6. 根据权利要求3所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于，所述气体压
7. 根据权利要求4所述的燃料气体的水分监视装置，其特征在于，设置多对由 所述气体温度调节装置与凝集水检测器构成的对，各气体温度调节装置设定成能够使 利用所述气体压力调节装置调节为一定的压力的取样气体为相互不同温度的气体。
8. —种燃料气体的水分监视装置，设置于具备利用液体热介质对流过燃料供给 通路的燃料气体进行加热的加热装置和进行冷却的冷却装置中的至少一种装置的燃 料气体供给设备中，其特征在于，具备使液体热介质在全部加热装置或冷却装置中循环的热介质循环通路、将热介 质提供给该热介质循环通路的热介质贮留容器、以及检测该热介质贮留容器内的热介 质的量的热介质检测装置，形成能够根据该热介质检测装置的检测结果检测出热介质是否从加热装置或冷 却装置向燃料气体供给通路内泄漏的结构。
9. 一种燃料气体的水分监视方法，是监视提供给燃烧设备作为燃料的气体中的 水分的方法，其特征在于， 包含下述工序，即对所提供的燃料气体的一部分进行取样的气体提取工序、使取样的气体的压力为与所提供的燃料气体的水蒸气饱和压力大致相同的压力， 使其温度邻近所提供的燃料气体的水蒸气饱和温度的压力温度调节工序、以及 检测处于这样的压力和温度的取样气体发生的凝集水的凝集水检测工序， 根据所述凝集水检测结果对燃料气体的水分进行监视。
10.根据权利要求9所述的燃料气体的水分监视方法，其特征在于，所述压力温 度调节工序包含检测设定为水蒸气饱和状态的燃料气体的温度的气体温度检测工序、 在所述气体提取工序中，使取样的气体的压力为与所述气体温度检测工序中的检测温度下的水蒸气饱和压力大致相同的压力的气体压力调节工序、以及在所述气体提取工序中，使取样的气体的温度邻近所述气体温度检测工序中的检 测温度的气体温度调节工序。
11.根据权利要求io所述的燃料气体的水分监视方法，其特征在于，在所述气体压力调节工序中，使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 在所述气体温度调节工序中，使取样气体的温度为比所述气体温度检测工序中的检测温度高规定值的温度，在所述凝集水检测工序中，通过检测有无来自取样气体的凝集水发生对水分进行监视。
12.根据权利要求IO所述的燃料气体的水分监视方法，其特征在于， 在所述气体压力调节工序中，使取样气体的压力为水蒸气饱和压力， 在所述气体温度调节工序中，使取样气体的温度为比所述气体温度检测工序中的 检测温度低规定值的温度，在所述凝集水检测工序中，通过检测来自取样气体的凝集水的量对水分进行监视。
全文摘要
本发明是结构简单而且坚固的能够发挥稳定的监视能力的燃料气体的水分监视装置(1)，具备对提供给燃料气体供给设备的燃料气体的一部分进行取样的气体提取配管(14)、在燃料气体供给配管(5)中的燃料气体被设定为水蒸气饱和状态的部分设置的燃料气体温度计(15)、使利用上述气体提取配管(14)取样的气体的压力为与上述燃料气体温度计(15)检测出的检测温度下的水蒸气饱和压力大致相同的压力的节流构件(16)、使维持与水蒸气饱和压力大致相同的压力的上述取样气体的温度为上述燃料气体温度计(15)得到的检测温度近旁的温度用的取样气体冷却器(13)、以及具有检测上述取样气体的凝集水的冷凝水检测器的冷凝水壶(18)。
文档编号G01N33/22GK101268366SQ200580051588
公开日2008年9月17日 申请日期2005年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者佐香正明, 藤崎悠二郎, 缬雅彦 申请人:川崎成套设备股份有限公司