JP2005030320A

JP2005030320A - 発電装置及び発電方法

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Publication number: JP2005030320A
Application number: JP2003271516A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP4343610B2

Abstract

【課題】
エクセルギーの点で有利な発電装置の提供。
【解決手段】
給水加熱器２０４からの蒸気を加熱するボイラ２０１と、ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給されるタービン２０２と、タービンに連結し発電を行う発電機２０３と、タービンからの蒸気が戻される復水器２０７と、を備え、タービンからの蒸気を給水加熱器２０４に供給する抽気系を具備せず、タービンを回すことができる蒸気を抽気せずに、タービンの回転に用いて発電を行う。
【選択図】
図７

Description

本発明は発電装置と方法に関する。

火力発電システムの効率向上について説明する。

図１は、火力発電システムの熱バランスを説明する模式図である。以下の例では、基準温度（環境温度）を０℃としている。なお、火力発電装置については、下記特許文献１、２等が参照される。

図１に示すように、蒸気発生器をなすボイラ１０１と、ボイラ１０１から供給される主蒸気によって駆動される高圧タービン１０２と、高圧タービン１０２から排出されボイラ１０１で再熱された蒸気によって駆動される中圧タービン１０３と、中圧タービン１０３からの排出される蒸気によって駆動される低圧タービン１０４を備えている。低圧タービン１０４には、発電機１０５が連結されている。高圧タービン１０１、中圧タービン１０２には抽気系が設けられており、ボイラ１０１への給水系統に設けられる加熱機器である高圧給水加熱機１０７及び脱気器１１０にそれぞれ抽気蒸気が供給される。低圧タービン１０４にも抽気系が設けられており、低圧給水加熱機１０８に抽気蒸気が供給される。低圧タービン１０４の排気側には復水器１０６が設けられている。ボイラ給水ポンプ１０９で昇圧された給水は、高圧給水加熱器１０７で加熱され、ボイラ１０１の主蒸気配管で加熱された後、高圧タービン１０２に供給され、発電機１０５での発電が行われる。高圧タービンで仕事をした蒸気の一部が抽気されて高圧給水加熱１０７に供給され、残りは、低温再熱蒸気としてボイラ１０１の再熱器で加熱されたのち、中圧タービン１０３に供給される。中圧タービン１０３を出た蒸気は、低圧給水加熱器１０４に供給され、最終的に低圧タービンから復水器１０６に戻される。

上記した給水加熱器（Feed Water Heater）に関して例えば下記非特許文献１の記載が参照される。下記非特許文献１には、以下のような説明が行われている。タービンの途中から蒸気が２段抽気され、それぞれボイラへの給水加熱器に供給されている。このようにすると、復水器で、冷却水に捨てる熱量の割合が減少するため熱効率を向上する。再生サイクルによる熱効率の向上効果は、抽出する蒸気の圧力、温度が高いほど大きい。また、抽気段数が多いほど熱効率は向上するが、段数の増加に対する熱効率向上効果は次第に緩やかになる。図２は、下記非特許文献１の図２.１６に基づく図である。図２において、２０１はボイラ（加熱器）、２０２はタービン、２０３は発電機、２０４、２０６は給水加熱器、２０５は給水ポンプ、２０７は復水器である。タービン２０２から蒸気が２段抽気され、それぞれ高圧給水加熱器２０４、低圧給水加熱器２０６に供給されている

特開２０００−２４０４０４号公報（第４図）特開平１１−２２９８２０号公報（第１図）特開２００１−１４０６５７号公報（第１図）電気学会編、瀬間徹監修、「火力発電総論」、図２、第３３頁、オーム社刊、2002年10月 BWR 原子力発電所（電気出力800MWe, 社団法人火力原子力発電技術協会、「原子力発電所講座」、第３３頁、第３６頁, 昭和57 年5 月。（社）火力原子力発電技術協会編、「タービン・発電機（改訂版）」、第８図、第９頁、平成２年１月刊

本発明の目的は、エクセルギー損の点で有利な発電装置及び方法を提供することにある。本発明は、エネルギー効率とエクセルギー損に基づき最適化設計を可能とする全く新規な発電装置及び方法を提供することにある。

本発明者は、エクセルギーに基づき、抽気系の構成を解析・検討した結果、第２種エクセルギー損の点で有利な全く新規な装置構成を見出し、本発明を完成するにいたった。すなわち、前記目的を達成する本発明に係る１つのアスペクトに係る方法は、タービンから蒸気を抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行い、前記タービンへ給水する給水加熱器に、タービンからの蒸気を抽気して供給しないようにすることで、前記給水加熱器での熱交換によるエクセルギー損を低減する、ことを特徴とするものである。

本発明の他のアスペクトに係る装置は、ボイラ給水ポンプで昇圧された給水を加熱する給水加熱器と、前記給水加熱器からの蒸気を加熱するボイラと、前記ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給される、１つ又はタービンと、前記タービンに連結し発電を行う発電機と、前記タービンからの蒸気が戻される復水器とを備え、前記タービンの蒸気を抽気して前記給水加熱器に供給する系を具備せず、その代わりに、前記タービンを回すことができる蒸気を抽気せずに前記タービンに回して発電を行うことで、第２種エクセルギー損の低減を図るものである。

また、本発明によれば、復水器でのエクセルギー損と加熱給水器でのエクセルギー損を比較し、加熱給水器でのエクセルギー損が大となる場合、前記タービンの蒸気を抽気して前記給水加熱器に供給しない。

かかる本発明によれば、ボイラの蒸気を給水加熱器に供給する抽気系を具備したシステムよりも、エクセルギー損の点で有利であり、熱効率とエクセルギー損に基づく、システムの最適化設計を実現可能としている。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明の好適な一実施形態は、図７を参照すると、給水加熱器２０４は、給水ポンプ２０５からの給水を加熱し、ボイラ（加熱器）２０１からの蒸気によりタービン２０２を回し発電機２０３で発電するにあたり、タービン２０２から蒸気を抽気せずに、タービンの回転に用いて発電を行う。かかる構成により、給水加熱器（２０４、２０６）に抽気した蒸気を供給しないことで給水加熱器での熱交換によるエクセルギー損を低減している。

あるいは、本発明の一実施形態においては、タービン２０２からの蒸気が戻される復水器２０７でのエクセルギー損と、給水加熱器２０４、２０６でのエクセルギー損とを比較し、給水加熱器でのエクセルギー損の方が大きい場合、蒸気をタービンから抽気しない。

本発明の一実施形態においては、タービンと給水加熱器の組のうち、少なくとも１つ、又は全ての組において、タービンから蒸気を抽気し前記給水加熱器へ供給する抽気系を具備しない構成とされる。

本実施形態では、湿り度が零の蒸気を抽気しない。

本実施形態では、タービンが、第１のタービン(例えば高圧タービン)と、第１のタービンよりも低圧の蒸気が供給される第２のタービン（中圧又は低圧タービン）とを備え、第２のタービンには、第１のタービンからの蒸気を、ボイラ２０１で再加熱した蒸気を供給する構成としてもよい。

発電所の効率向上を行う本発明の原理作用について説明する。

エクセルギーの導入と第２種エクセルギー損について説明しておく。熱力学や熱機関の効率を検討する場合、熱量の他に、エントロピーあるいはエンタルピーを利用することが一般的である。熱力学で利用されるエントロピーは、次元無しのパラメータ（dimensionless parameter）である。1953年に、Z. Rant によってエクセルギーＥが導入されている。

… (1)

ここで、Ｔ_１は物体の絶対温度、Ｔ_０は外界の基準条件絶対温度である。また、Ｑは、熱量である。エクセルギーは、熱量（エネルギー）にカルノー効率を乗算したものである。熱機関が外界に対してできる仕事効率は、カルノー効率が上限値を与える。エクセルギーは、熱、化学エネルギー等各種保有エネルギーのうち、力学的に変換し得る最大の仕事量をいう。すなわち、標準の状態と平衡するまでに可逆的状態変化させる際に得られる力学的仕事量を表す（エクセルギーは「有効エネルギー」とも呼ばれる）。エクセルギーは、投入熱から外界条件を考慮した損失を差し引き、Ｑ−Ｔ_０×ΔＳ（ΔＳはエントロピー増加量）で表される。燃料のエクセルギーは、単位燃料を大気圧の酸素で完全燃焼し、その燃焼ガスが周囲温度となるまでに得られる可逆仕事をいう。

エクセルギーは、エネルギーと同じユニットを持っている上に、エクセルギーの増大が有効エネルギーの増大になるので、量的に理解しやすい。エクセルギーを利用してエネルギーの質を説明する。図３に、その一例を示す。これは、温度の異なった水を混合するプロセスである。この時、エネルギー的には保存系であり、何ら損失は発生しないが、エクセルギーでは損失があり、これを「第２種エクセルギー損」という。なお、第１種エクセルギー損はエネルギーもエクセルギーも損失がある場合をいう。図２に示す例では、基準温度は０℃としている。従来のエントロピーを使った説明では、異なった温度の水を混合すれば、エントロピー生産があり、新たなエントロピー生産分だけ、エネルギーの質が劣化する。１６．７℃の水５０ｋｇから１００℃の水１ｋｇを創り出すには、追加のエネルギーが必要である。

温度の異なった媒体を混合するときには、損失が発生する。熱機関で広く利用される熱交換器では、そのプロセスの前後において、熱量は変化しないが、エネルギーの質の損失を生じる。これを、エクセルギーを用いて定量的に表現できる。これは、そのまま熱機関として利用できるエネルギーの損失を意味する。

なお、エクセルギーを用いて発電効率の解析した上記特許文献３には、ガスタービン・コージェネレーション装置で部分負荷における発電効率を高める構成が開示され、蒸気発生量、有効エクセルギー効率、発電効率、総合熱効率の変化が示されている。

図１に示した火力発電システムにおいて、大きな熱交換器としての、給水加熱器（FWH）１０７、１０８が設けられている。給水加熱器ではエネルギーの損失は発生しないが、エントロピー生産に伴うエネルギーの質の劣化が生じる。すなわち第２種エクセルギー損が発生する。具体的に見積もるために、図１の構成を簡略化して、図４に示す。

図４を参照すると、温度が３３．８℃の水が１３２８．９ｔｏｎ／ｈｒで復水器３０５から給水加熱器３０４に入り、給水加熱器３０４から出ていくときは、２９０℃、２２４９ｔｏｎ／ｈｒになっている。このため、ほとんどの熱量は、タービン３０２からの抽気蒸気から来ている。したがって、温度の異なった媒体を混合しているので、給水加熱器３０４では、大きな第２種エクセルギー損が発生している。

図１のデータに基づいて、第２種エクセルギー損を見積もる。なお、図４において、タービン３０２から抽気した蒸気の温度は、過熱水蒸気の熱力学的性質から逆算される。その結果は、第２種エクセルギー損は、発電機の出力の約１５％から５％程度の損失になる。

図５は、上記非特許文献２の記載を引用したものである。

原子炉から出た蒸気は、
圧力＝６６．８ｋｇ／ｃｍ^２ｇ，
温度＝２８２．４℃，
流量＝４７３７．７ｔｏｎ／ｈｒ
である（上記非特許文献２、第３３頁参照）。この蒸気で８００ＭＷｅの発電を行う。

一方、図１に示した最終段の高圧給水加熱器１０７に行く蒸気は、
圧力＝７８．０ｋｇ／ｃｍ^２ｇ，
温度＝３８０（２９２）℃，
流量＝２２５．３ｔｏｎ／ｈｒ
である。

温度についての括弧内の値は、給水加熱器を出るときの値である。計算上は、３８０℃とした。最終段の高圧給水加熱器を出た水の温度が２９０℃であり、高圧給水加熱器の温度が２９２℃であるのは水を過熱できないことによる。３８０℃の値は、圧力が７８．２気圧として、エンタルピーの値から、上記非特許文献２に基づく概略値である。

このように、火力発電所のタービンから抽気して給水加熱器に行く蒸気は、原子力発電所の原子炉からでた直後の蒸気よりも質が良いことがわかる。つまり、温度と圧力が高い。

したがって、抽気された蒸気を利用して、蒸気タービンを回して発電ができる。抽気されて給水加熱器に供給される蒸気が同等の発電が行えるとすると、発電量出力は低めに見積ることになり、次式（２）を得る。

… (2)

上式（２）より、エクセルギー損は７００ＭＷｅの発電機の５．４％になる。

すなわち、抽気され最終段の高圧給水加熱器へ行く蒸気だけで、タービンを回してこれだけ（７００ＭＷｅの発電機の５．４％）の発電が行える。したがって、エクセルギー損が発電機出力の５％から１５％であるという当初の計算値は、妥当といえる。

図１等に示した設計方式のシステムでは、十分にタービンを回すことが出来る蒸気を抽気して水に混ぜ、これによって大きな損失が発生している。そして、これは非特許文献１の記載内容（「再生サイクルによる熱効率向上効果は、抽出する蒸気の圧力、温度が高いほど大きい」）とは、全く逆である。上記非特許文献１記載の構成では、蒸気の圧力温度が高ければ高いほどエクセルギー損失が増大する。

図６は、上記非特許文献３から引用したものであり、原子力、火力発電での比エンタルピーと比エントロピー図を示す。火力発電は、原子力発電より条件の良い蒸気を利用していることが分かる。即ち、原子力発電ではほぼ飽和蒸気を利用して発電を行っているが、火力発電では過熱蒸気を利用している。図６において、y は湿り度を示していて、y = 0, 5, 10, 15％が示されている。

原子力では蒸気タービンは、ほとんど湿り度があるなかで使われている。火力タービンのほとんどが湿り度ゼロで運転されているため、タービンの設計も楽になる。損傷も少なく長期間利用することができる。

図６から分かるように、原子力発電では、十分にタービンで発電できる質の蒸気であることが分かる。したがって、十分にタービンを回すことが出来る蒸気を、抽気せずに、タービンに回して、発電を行う。その分、ボイラーに還元する水の温度は低下する。燃料消費が増大するが、エクセルギーの計算はそれらを含んでネットでどれだけ利得があるかを計算している。第２種エクセルギー損は、エネルギー（熱量）保存プロセスであるためである。

上記したように、従来の装置では、全ての蒸気を復水器に排気すると、外部に捨てる熱量が大きくなるので、抽気する構成とされている（非特許文献１参照）。しかし、タービンの最終段を出た蒸気温度は低くなっているので、熱機関としては、多くの仕事ができるわけではない。即ち、有効エネルギーとしてのエクセルギーは大きくない。よって、大きな熱量を捨てても、効率は、低下しない。これは、タービン出口温度と環境温度が極めて近くなっているためである。

図１において、ボイラ出口での熱量をＱとし、温度を５６０℃とする。そして、全体の６２％の流量が復水器に導かれるとする。この時、外気温（基準温度）が３０℃で、タービン出口温度が６０℃とする。

本実施例は、図２においてタービン２０２から抽気され給水加熱器２０４、２０６に供給する蒸気を、タービンを回して全て復水器２０７に戻る構成としている。かかる構成の本実施例において、新たに発生するエクセルギー損は、元々の蒸気が持っているエクセルギーに対して３．４％しかない。

一方、従来の装置のように、給水加熱器で熱交換することによって損失するエクセルギー損は、全体の５％から１５％である。

以上から、本実施例の方が、エクセルギーが利得することは明らかである。

図１の最下段の給水加熱器１０８から出る水の温度は７２．２℃であり、熱交換後の温度有るため、タービン出口温度は６０℃よりも高い。なお、実際、抽気は、タービン最下段からではない。

図５は、原子力発電所の熱バランスがある。これは最終段の給水加熱器から復水器に行く温度は４２．５℃であり、７２．２℃よりも３０℃ほど低い。これは、原子力発電所の蒸気の質が悪いため、発電効率を上げるため蒸気温度がかなり低いところまで利用しているからである。したがって、この例では、復水器からのエクセルギー損失の割合は、火力発電所より小さくなっている。

図７は、本実施例の構成を示す図である。図７を参照すると、給水加熱器２０４からの蒸気を加熱するボイラ２０１と、ボイラ２０１からの蒸気又はボイラ２０１からの再加熱蒸気が供給されるタービン２０２と、タービン２０２に連結し発電を行う発電機２０３と、タービン２０２からの蒸気が戻される復水器２０７と、を備え、タービン２０２からの蒸気を給水加熱器２０４、２０６に供給する抽気系を具備しない。すなわち、タービンを回すことができる蒸気を抽気せずにタービン２０２の回転に用いて発電を行う。少なくとも湿り度が零の蒸気は抽気されない。なお、給水加熱器での抽気蒸気の熱交換は行われないが、高圧タービンからの蒸気をボイラ２０１で再加熱し中圧タービンに供給する構成としてもよい。

また、本実施例において、復水器２０７でのエクセルギー損と加熱給水器２０４、あるいは２０６でのエクセルギー損を比較し、加熱給水器２０４、２０６でのエクセルギー損が大となる場合、タービン２０２の蒸気を抽気しないようにしてもよい。

以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ限定されず、本発明の原理に基づく範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

以上、エクセルギーの観点から火力発電所の熱バランス設計を見直し、効率向上の可能性の検討を行った。本発明は、タービンから抽気した蒸気を給水加熱器で熱交換することで生じるエクセルギー損の低減する構成の発電装置を提案した。本発明は、エネルギー効率とエクセルギーとに基づき発電システムの最適化設計を可能としている。

火力発電装置の構成の一例を示す図である。火力発電装置における再生サイクルの基本構成の一例を示す図である。温度の異なった水の混合によるエクセルギー損失を説明するための図である。火力発電装置の熱バランスを簡略化して示す図である。８００ＭＷｅの原子力発電所の熱バランスを簡略化して示す図である。火力タービン及び原子力タービンの蒸気膨張を示す図である。本実施例の火力発電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０１ボイラ
１０２高圧タービン
１０３中圧タービン
１０４低圧タービン
１０５発電機
１０６復水器
１０７高圧給水加熱器
１０８低圧給水加熱器
１０９給水ポンプ
２０１ボイラ
２０２タービン
２０３発電機
２０４給水加熱器
２０５給水ポンプ
２０６給水加熱器
２０７復水器
３０１ボイラ
３０２タービン
３０３発電機
３０４給水加熱器
３０５復水器

Claims

給水ポンプと、
前記給水ポンプで昇圧された給水を加熱する給水加熱器と、
前記給水加熱器からの蒸気を加熱するボイラと、
前記ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給される１つ又はタービンと、
前記タービンに連結し発電を行う発電機と、
前記タービンからの蒸気が戻される復水器と、
を備え、
少なくとも湿り度が零の蒸気を前記タービンから抽気しない、ことを特徴とする発電装置。
給水ポンプと、
前記給水ポンプで昇圧された給水を加熱する給水加熱器と、
前記給水加熱器からの蒸気を加熱するボイラと、
前記ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給される１つ又はタービンと、
前記タービンに連結し発電を行う発電機と、
前記タービンからの蒸気が戻される復水器と、
を備え、
前記タービンからの蒸気を抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行う、ことを特徴とする発電装置。
前記タービンと前記給水加熱器との組の少なくとも１つの組において、前記タービンから蒸気を抽気し、前記給水加熱器へ供給する抽気系を具備しない、ことを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
少なくとも湿り度が零の蒸気を抽気しない、ことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
給水ポンプと、
前記給水ポンプで昇圧された給水を加熱する給水加熱器と、
前記給水加熱器からの蒸気を加熱するボイラと、
前記ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給される１つ又はタービンと、
前記タービンに連結し発電を行う発電機と、
前記タービンからの蒸気が戻される復水器と、
を備え、
前記復水器でのエクセルギー損よりも前記給水加熱器でのエクセルギー損の方が大きい場合、蒸気を前記タービンから抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行う、ことを特徴とする発電装置。
前記タービンが、第１のタービンと、前記第１のタービンよりも低圧の蒸気が供給される第２のタービンと、を少なくとも備え、
前記第２のタービンには、前記第１のタービンからの蒸気を前記ボイラで再加熱した蒸気が供給される、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の発電装置。
前記ボイラからの蒸気によりタービンを回し発電する方法において、
前記タービンから蒸気を抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行い、
前記タービンへ給水する給水加熱器に抽気した蒸気を供給しないことで、前記給水加熱器での熱交換によるエクセルギー損を低減する、ことを特徴とする発電方法。
ボイラからの蒸気によりタービンを回し発電する方法において、
前記タービンからの蒸気が戻される復水器でのエクセルギー損と、前記タービンへ給水する給水加熱器でのエクセルギー損とを比較し、
前記給水加熱器でのエクセルギー損の方が大きい場合、蒸気を前記タービンから抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行う、ことを特徴とする発電方法。
給水ポンプで昇圧された給水を給水加熱器で加熱する工程と、
前記給水加熱器からの蒸気をボイラで加熱する工程と、
前記ボイラからの蒸気又は前記ボイラからの再加熱蒸気が供給される１つ又はタービンを回し、前記タービンに連結した発電機で発電を行う工程と、
前記タービンを回すことができる蒸気を抽気せずに、前記タービンの回転に用いて発電を行う工程と、
前記タービンからの蒸気が復水器に戻される工程と、
を含む、ことを特徴とする発電方法。
前記タービンと前記給水加熱器との組の少なくとも１つ又は全ての組において、前記タービンから蒸気を抽気し前記給水加熱器へ供給する抽気系を具備しない、ことを特徴とする請求項９記載の発電方法。
少なくとも湿り度が零の蒸気を抽気しない、ことを特徴とする請求項７又は９記載の発電方法。
前記タービンが、第１のタービンと、前記第１のタービンよりも低圧の蒸気が供給される第２のタービンと、を少なくとも備え、
前記第２のタービンには、前記第１のタービンからの蒸気を前記ボイラで再加熱した蒸気が供給される、ことを特徴とする請求項９記載の発電方法。