JP2002048305A

JP2002048305A - 蒸気原動設備

Info

Publication number: JP2002048305A
Application number: JP2000238471A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田
Original assignee: Hokuriku Electric Power Co
Current assignee: Hokuriku Electric Power Co
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】起動時間が短く、運転制御が容易で、電力の
負荷平準化に寄与する蒸気原動設備を提供すること。【解決手段】ポンプ１から供給された水をボイラ２内
の蒸発器８に通し、蒸気に変換して蒸気タービンＴを回
す蒸気原動設備において、電気加熱による熱エネルギー
を蓄える蓄熱槽５を蒸発器８の蒸気出口側に配備し、蒸
発器８から蒸気タービンＴに蒸気を供給する導管Ｐの中
間部に、蓄熱槽５内の伝熱管４を介在してあることを特
徴とする蒸気原動設備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蒸気原動設備に関す
る。さらに詳しく言えば、蒸気タービンに供給する蒸気
を高温にするための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の蒸気原動設備は図６に示すよう
に、火炉９１へ燃料と空気を投入して燃焼ガスを発生さ
せ、蒸発器９２で水を高圧の飽和蒸気にした後に過熱器
９３で高温高圧の蒸気とし、その高温高圧の蒸気によっ
て蒸気タービン９４を回して発電する。

【０００３】しかし、従来の蒸気原動設備において過熱
器は、燃焼ガスで加熱される構造なので、内部に蒸気が
供給されてない状態では焼損するおそれがある。つま
り、蒸気原動設備の起動直後において、蒸発器は冷えて
いるので、蒸発器から蒸気が発生されず、過熱器へ蒸気
が供給されないので、火炉から急激に多量の燃焼ガスを
発生させると、焼損することになる。従って、それを防
ぐために過熱器の耐熱温度を超えないことに注意を払い
ながら、燃料の投入量を徐々に増やさなければならず、
その結果、起動時間が長くなり、設備の運転制御が複雑
になるという問題があった。

【０００４】電気の需要は、昼間時間帯が多く、夜間時
間帯が少ない。この電力需要を平準化する方法として、
揚水発電システム、蓄熱式空調機器、貯湯温水機器等の
普及が図られている。しかし、これらのシステム及び機
器は、比較的高価なシステムであり、装置寸法が大き
く、設置場所の確保が難しい問題がある。例えば揚水発
電システムは巨大なダムを建設するため建設費が高い、
運転時間が昼間時間帯の数時間に限られるため建設費の
回収が難しい、設置場所が電力需要地から離れており、
電力の移送に多くの電力が消費される等の問題がある。
また、蓄熱式空調機器及び貯湯式電気温水器には蓄熱槽
が大きいため設置場所の確保が難しい、コストが高いと
いう問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は上記
実情を考慮して開発されたもので、その目的は、起動時
間が短く、運転制御が容易で、電力の負荷平準化に寄与
する蒸気原動設備を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ポンプから供給された水をボイラ内の蒸発器に通し、蒸
気に変換して蒸気タービンを回す蒸気原動設備におい
て、電気加熱による熱エネルギーを蓄える蓄熱槽を蒸発
器の蒸気出口側に配備し、蒸発器から蒸気タービンに蒸
気を供給する導管の中間部に、蓄熱槽内の伝熱管を介在
してあることを特徴とする。

【０００７】蒸気タービンは１段であっても良いし、複
数段であっても良い。

【０００８】請求項２記載の発明は、前記した蒸気ター
ビンが、蒸発器からの蒸気が供給される第一蒸気タービ
ンと、第一蒸気タービンからの蒸気が供給される第二蒸
気タービンとを備え、前記した蓄熱槽とは別の蓄熱槽を
第一蒸気タービンの蒸気出口側に配備し、第一蒸気ター
ビンと第二蒸気タービンを繋いだ導管の中間部に、別の
蓄熱槽内の伝熱管を介在してあることを特徴とする。

【０００９】蓄熱槽消費電力に対する発電量を大きくす
るには、請求項３記載の発明のように、別の蓄熱槽内の
伝熱管に供給される蒸気の圧力が１．０１〜４．２ＭＰ
ａであることが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の蒸気原動設備の第一実施
形態は、図１に示すように、ポンプ１、ボイラ２、蒸気
タービンＴ、復水器３を導管Ｐで順次接続してボイラ水
の循環経路となし、ボイラ２の蒸気出口側に蓄熱槽５を
配備し、蒸気タービンＴに蒸気を供給する導管Ｐの中間
部に蓄熱槽５内の伝熱管４を繋ぎ、蒸気タービンＴによ
って発電機６を駆動する。

【００１１】蒸気タービンＴには、高温高圧の過熱蒸気
での作動に適した第一蒸気タービン７を用いてある。

【００１２】ボイラ２は、ポンプ１から延長した導管Ｐ
に節炭器９、蒸発器８を順次接続し、燃料と空気の投入
によって火炉１０から発生する燃焼ガス１１で蒸発器
８、節炭器９を順次加熱し、最終的に燃焼ガス１１を外
部に排出するものである。なお、ここでの燃料とは、油
や石炭等の化石燃料、プラント廃ガスや排油やゴミ等の
可燃物を指す。

【００１３】蓄熱槽５は、内部に充填した蓄熱材１２に
電気ヒータ１３と前述した伝熱管４を通してある。ま
た、電気ヒータ１３へは、主として夜間時間帯に通電し
て蓄熱材１２を加熱する。

【００１４】蓄熱材５は、良好な熱伝達を可能にするた
めに、マグネシアと硝酸ナトリウム・亜硝酸ナトリウム
・硝酸カリウムの混合剤を用いることが望ましい。マグ
ネシアは、複数の粒径分布を有するものを用いると、熱
伝達が向上する。マグネシアは、容積当たりの蓄熱量が
大きく、熱伝導率及び輻射率が大きい特徴がある。硝酸
ナトリウム・亜硝酸ナトリウム・硝酸カリウムの混合剤
は、約７％：約４９％：約４４％の重量比で混合されて
おり、６００℃以下の温度域で安定し、粘度が低く、熱
媒体としても適している。

【００１５】上述した第一実施形態は、以下の要領でボ
イラ水が循環する。まず、ボイラ水は、ポンプ１によっ
て高圧の水となり、燃焼ガス１１で加熱される節炭器９
に供給されて中温高圧の水となり、次に、燃焼ガス１１
で加熱される蒸発器８に供給されて中温高圧の蒸気とな
る。その後、蓄熱槽５内に配備した伝熱管４に供給され
て、高温高圧の過熱蒸気となり、第一蒸気タービン７に
供給されて発電機６を駆動し、低温低圧の蒸気になり、
復水器３で水に戻され、最終的にポンプ１に送られる。

【００１６】第一実施形態では、第一蒸気タービン７に
供給される蒸気が過熱蒸気になることから、蓄熱槽５の
蓄熱材１２の加熱に消費される電力よりも多くの電力を
発生でき、発電効率が向上する効果が得られる。

【００１７】図３のエンタルピ・エントロピ線図を用い
て説明すると、ポンプ１、節炭器９、蒸発器８、蓄熱槽
５、第一蒸気タービン７、復水器３の各出口における水
又は蒸気のエンタルピ・エントロピがそれぞれ点Ａ、点
Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆで示される。例えば点Ｆは
圧力が０．０１ＭＰａ、温度が４５℃の水であり、その
ときのエンタルピは４５ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ａは
圧力が約３Ｍｐａ、温度が４５℃の水であり、そのとき
のエンタルピは４５ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｂは、圧
力が３Ｍｐａの飽和水（温度２３３℃）に近似した水で
あり、そのときのエンタルピは約２４０ｋｃａｌ／ｋｇ
である。点Ｃは圧力が３Ｍｐａの飽和蒸気であり、その
ときのエンタルピは６６８ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｄ
は圧力が３Ｍｐａ、温度が５００℃の過熱蒸気であり、
そのときのエンタルピは８２５ｋｃａｌ／ｋｇである。
点Ｅは、圧力が０．０１Ｍｐａ、温度が４５℃の湿り蒸
気（乾き度０．９）であり、そのときのエンタルピは５
６０ｋｃａｌ／ｋｇである。

【００１８】蓄熱槽５で消費される電力（エネルギー）
は蓄熱槽の入口と出口のエンタルピ差で表され、以下の
計算式によって、このとき循環する水／蒸気１ｋｇ当た
り１５７ｋｃａｌとなる。発電量は、第一蒸気タービン
７の入口と出口のエンタルピ差で表され、循環する水／
蒸気１ｋｇ当たり２６５ｋｃａｌとなり、蓄熱槽で使用
された１．６９倍の電力を発電できる。また、ボイラ２
で消費されるエネルギーは、蒸発器８出口と節炭器９入
口のエンタルピ差で表され、循環する水／蒸気１ｋｇ当
たり６２３ｋｃａｌとなる。このときの発電効率は３４
％である。蓄熱槽消費電力＝８２５−６６８＝１５７ｋｃａｌ／ｋ
ｇボイラ消費エネルギー＝６６８−４５＝６２３ｋｃａｌ
／ｋｇ発電量＝８２５−５６０＝２６５ｋｃａｌ／ｋｇ発電量／蓄熱槽消費電力＝２６５／１５７＝１．６９発電効率＝（２６５／（１５７＋６２３））×１００＝
３４．０％

【００１９】なお、第一実施形態から蓄熱槽５を除いた
構造の場合は、発電量は１０８ｋｃａｌ／ｋｇ、ボイラ
の消費エネルギーは６２３ｋｃａｌ／ｋｇであり、発電
効率は１７．３％である。

【００２０】図３中には、飽和蒸気線Ｘを示している。
蓄熱槽消費電力に対する発電量を大きくするには、蓄熱
槽に供給される蒸気の圧力が飽和蒸気のエンタルピが最
大になる点ｉの圧力３．２ＭＰａよりも低くすると良
い。ことのき、使用できる最低圧力には限度があり、点
Ｅと同じエントロピの飽和蒸気の圧力が点iiの圧力０．
０１ＭＰａである。蒸気原動設備を構成するに当たって
流れ損失を考慮して各圧力に１ＭＰａを加えて、蓄熱槽
５内を通る伝熱管４に供給される蒸気の圧力は４．２〜
１．０１ＭＰａが適する。

【００２１】蓄熱槽５の電気ヒータへの通電に割安な電
力を利用すると、発電コストが大幅に低減する効果が得
られる。例えば、上記した温度及び圧力条件で従来の蒸
気原動設備による発電コストを１ｋＷｈ当たり１５円、
夜間電力の購入コストを１ｋＷｈ当たり４円とする。こ
のとき、第一実施形態の発電コストは以下の計算式より
８．５円になり、低減する。発電コスト＝（（０．１８３×４＋（０．３０８−０．
１８３）×１５）ｋＷｈ／ｋｇ）／０．３０８＝８．５
円／ｋＷｈ

【００２２】本発明の第二実施形態を、第一実施形態と
の相違点のみ述べる。図２に示すように、蒸気タービン
Ｔが、第一蒸気タービン７と、中温高圧の過熱蒸気での
作動に適した第二蒸気タービン１４との二段で構成さ
れ、蓄熱槽５を二つ備え、両タービン７，１４間の蒸気
供給を確保する導管Ｐの中間部に、一方の蓄熱槽５内の
伝熱管４を繋いだ点である。

【００２３】第二実施形態では、発電容量を増加でき、
発電効率が向上する効果が得られる。図４のエンタルピ
・エントロピ線図を用いて説明する。ポンプ１、節炭器
９、蒸発器８、蓄熱槽５、第一蒸気タービン７、別の蓄
熱槽５、第二蒸気タービン１４、復水器３の出口におけ
る水又は蒸気のエンタルピ・エントロピがそれぞれ点
Ｈ、点Ｉ、点Ｊ、点Ｋ、点Ｌ、点Ｍ、点Ｎ、点Ｏで示さ
れる。

【００２４】例えば点Ｏは圧力が０．０１ＭＰａ、温度
が４５℃の水であり、そのときのエンタルピは４５ｋｃ
ａｌ／ｋｇである。点Ｈは圧力が１０Ｍｐａ、温度が４
５℃の水であり、そのときのエンタルピは約４５ｋｃａ
ｌ／ｋｇである。点Ｉは、圧力が１０Ｍｐａの飽和水
（温度３１０℃）に近似した水であり、そのときのエン
タルピは約３３４ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｊは圧力が
１０Ｍｐａの飽和蒸気であり、そのときのエンタルピは
６５１ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｋは、圧力が１０Ｍｐ
ａ、温度が４００℃の過熱蒸気であり、そのときのエン
タルピは７４０ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｌは圧力が
２．８Ｍｐａ、温度が２４０℃の過熱蒸気であり、その
ときのエンタルピは６７５ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｍ
は圧力が２．８Ｍｐａ、温度が５００℃の過熱蒸気であ
り、そのときのエンタルピは８２５ｋｃａｌ／ｋｇであ
る。点Ｎは圧力が０．０１Ｍｐａ、温度が４５℃の湿り
蒸気（乾き度０．９）であり、そのときのエンタルピは
５６０ｋｃａｌ／ｋｇである。点Ｏは圧力が０．０１Ｍ
ｐａ、温度が４５℃の水であり、そのときのエンタルピ
は４５ｋｃａｌ／ｋｇである。なお、符号Ｙは飽和蒸気
曲線である。

【００２５】蓄熱槽５で消費される電力（エネルギー）
は蓄熱槽の入口と出口のエンタルピ差で表され、このと
き循環する水／蒸気１ｋｇ当たり１５０ｋｃａｌとな
る。発電量は、蒸気タービン入口と出口のエンタルピ差
で表され、循環する水／蒸気１ｋｇ当たり３３０ｋｃａ
ｌとなり、蓄熱槽で使用された２．２倍の電力を発電で
きる。また、ボイラで消費されるエネルギーは、蒸発器
出口と節炭器入口のエンタルピ差で表され、循環する水
／蒸気１ｋｇ当たり６９５ｋｃａｌとなる。このときの
発電効率は３９％である。蓄熱槽消費電力＝８２５−６７５＝１５０ｋｃａｌ／ｋ
ｇボイラ消費エネルギー＝７４０−４５＝６９５ｋｃａｌ
／ｋｇ発電量＝（７４０−６７５）＋（８２５−５６０）＝３
３０ｋｃａｌ／ｋｇ発電量／蓄熱槽消費電力＝３３０／１５０＝２．２発電効率＝（３３０／（１５０＋６９５））×１００＝
３９．１％

【００２６】

【実施例】図１に示す１段の蒸気原動設備の実施例を以
下に示す。蓄熱槽の仕様電気ヒータの容量＝２７ＫＷ、蓄熱量＝２７０ＫＷｈ、
２３２Ｍｃａｌ発生蒸気圧力＝０．５ＭＰａ、有効蓄熱温度＝１５０〜
５００℃ 熱出力＝４０ＫＷ、静置時の温度低下＝０．４％／時蓄熱材＝マグネシア２７００ｋｇ、硝酸塩３７０ｋｇ伝熱管はステンレス鋼管であり、外径２２．２ｍｍ、肉
厚＝１ｍｍ、長さ＝４０ｍ、伝熱面積＝２．８ｍ^２であ
る。

【００２７】灯油焚きボイラの仕様方式貫流式出熱量＝４０００００ｋｃａｌ／ｈ灯油消費量＝５０Ｌ／ｈ蒸気圧力＝３０ｋｇ／ｃｍ２ｇ（３ＭＰａ）蒸気温度＝２３４℃

【００２８】電気ヒータ１３を１０時間通電して蓄熱し
た蓄熱槽５から蒸気を取り出す時の蓄熱材温度と、発生
蒸気温度と、出熱量と、ボイラにおける灯油消費量と、
発電量の変化は図５の通りであった。

【００２９】図５によれば灯油は１時間当たり４０リッ
トル消費される。発電量は運転開始から約１０分で定格
出力に達し、約５時間６８ＫＷ一定であり、以後発生蒸
気温度の低下に伴い低下した。

【００３０】発生蒸気温度は、出熱から５時間まで一定
に保持され、その後、急激に低下した。蒸気温度の低下
が始まる時間と、伝熱管４出口近傍の蓄熱材温度の低下
が始まる時間は一致している。

【００３１】蓄熱材１２の温度は先ず出熱開始と共に伝
熱管近傍の蓄熱材温度が低下し、出熱から２時間３０分
後に中央部の蓄熱材温度が低下を始め、５時間後に出口
近傍の蓄熱材温度が低下を始める。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、蓄熱槽を蒸発器
の蒸気出口側に配備してあるので、起動直後に燃料を多
量に投入して燃焼ガスを多量に発生させても、ボイラ及
び蓄熱槽が燃焼ガスでは焼損しないことになり、その結
果、起動時間の短縮化、運転制御の容易化が達成でき
る。また、蓄熱槽を夜間電力で加熱しておけば、その蓄
熱槽で昼間は蒸気タービンに供給する蒸気を過熱蒸気に
することができる。さらに、蓄熱槽は従来の揚水発電シ
ステムとは比較にならない程小型なので、蓄熱槽を蒸気
原動設備内に配備でき、しかも蒸気原動設備は電力需要
地に設置できるものである。従って、蓄熱槽の熱で発電
した電力は、移送によるロスがなく、そのまま使え、夜
間電力の有効利用によって電力の負荷平準化に寄与す
る。

【００３３】請求項２記載の発明も請求項１記載の発明
と同じ理由で、起動時間の短縮化、運転制御の容易化を
達成し、電力の負荷平準化に寄与する。しかも、蒸気タ
ービンが二段であるので、発電効率をあげることができ
る。

【００３４】請求項３記載の発明は、蓄熱槽の小型化が
図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蒸気原動設備の第一実施形態を示す説
明図である。

【図２】本発明の蒸気原動設備の第二実施形態を示す説
明図である。

【図３】第一実施形態のエンタルピ・エントロピ線図で
ある。

【図４】第二実施形態のエンタルピ・エントロピ線図で
ある。

【図５】蓄熱槽の出力特性や、灯油消費量、発電量を示
すグラフである。

【図６】従来の蒸気原動設備を示す説明図である。

【符号の説明】

１ポンプ２ボイラ４伝熱管５蓄熱槽７第一蒸気タービン８蒸発器１４第二蒸気タービンＰ導管Ｔ蒸気タービン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポンプ（１）から供給された水をボイラ
（２）内の蒸発器（８）に通し、蒸気に変換して蒸気タ
ービン（Ｔ）を回す蒸気原動設備において、電気加熱による熱エネルギーを蓄える蓄熱槽（５）を蒸
発器（８）の蒸気出口側に配備し、蒸発器（８）から蒸
気タービン（Ｔ）に蒸気を供給する導管（Ｐ）の中間部
に、蓄熱槽（５）内の伝熱管（４）を介在してあること
を特徴とする蒸気原動設備。
【請求項２】前記した蒸気タービン（Ｔ）が、蒸発器
（８）からの蒸気が供給される第一蒸気タービン（７）
と、第一蒸気タービン（７）からの蒸気が供給される第
二蒸気タービン（１４）とを備え、前記した蓄熱槽
（５）とは別の蓄熱槽（５）を第一蒸気タービン（７）
の蒸気出口側に配備し、第一蒸気タービン（７）と第二
蒸気タービン（１４）を繋いだ導管（Ｐ）の中間部に、
別の蓄熱槽（５）内の伝熱管（４）を介在してあること
を特徴とする請求項１記載の蒸気原動設備。
【請求項３】別の蓄熱槽（５）内の伝熱管（４）に供
給される蒸気の圧力が１．０１〜４．２ＭＰａであるこ
とを特徴とする請求項２記載の蒸気原動設備。