JP2013190156A - 蒸気供給プラント及び太陽熱配管保温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、蒸気配管を保温するための熱源としてボイラの蒸気や電力を用いなくとも、蒸気配管の熱損失を抑制することができる蒸気供給プラントを提供することにある。
【解決手段】蒸気を発生させるボイラ２と、該ボイラの発生蒸気を蒸気消費設備に供給する蒸気配管３を備えた蒸気供給プラントにおいて、太陽熱エネルギーを用いて前記蒸気配管内の蒸気を加熱或いは保温する太陽熱配管保温装置５を備えたことを特徴とする。太陽熱配管保温装置５は、太陽熱を集熱して媒体を加熱する集熱器６と、該集熱器で加熱された媒体を用いて前記蒸気配管を保温或いは加熱するヒータ７と、該ヒータを経由した媒体を前記集熱器に還流させる循環ポンプ８により構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ボイラ等で発生した蒸気を圧送する蒸気配管の保温装置を備えた蒸気供給プラントに関する。

ガスタービン、ガスエンジン等内燃機関の回転運動エネルギーから電力を得るとともに、前記機関の排気ガスから熱エネルギーを回収し蒸気あるいは温水を得るシステムとして熱電併給システム（コジェネレーションシステム、コジェネシステム）が提案されている。

コジェネシステムは、従来の発電システムでは電力エネルギーに変換困難な低位の熱エネルギーを高温・高圧の蒸気や温水として回収、直接利用することでシステム全体のエネルギー効率の向上を図ることから、電力に加え蒸気や温水を必要とする施設・地域への導入に適する。高温・高圧の蒸気を得る手段としては排熱回収ボイラが有効である。排熱回収ボイラで得られた蒸気は、蒸気配管を通じて遠地の蒸気消費設備（例えば蒸気を必要とする工場、冷暖房用の住宅等）へと供給可能となる。

蒸気配管を通じての蒸気の圧送に際しては、排熱回収ボイラから蒸気消費設備までの熱損失（蒸気温度低下）を低減する手段として蒸気配管への断熱材の被覆、電熱線による配管保温、配管の加熱源に蒸気を用いた配管保温などが存在する。一例として特許文献１には、蒸気を用いて燃料配管等を加温するスチームトレース装置に関し、配管の温度低下に応じて加熱源である蒸気流量を制御する技術が開示されている。

特開２００６−４６４７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスチームトレース装置は、加熱源としてボイラの発生蒸気を必要とする。また、電熱線による保温方式は熱を発生させるための電力が必要となる。なお、断熱材のみで蒸気配管を被覆する方式では、特にボイラから蒸気消費設備までの距離が長い場合、熱損失の低減効果は限定的となる。

本発明の目的は、蒸気配管を保温するための熱源としてボイラの蒸気や電力を用いなくとも、蒸気配管の熱損失を抑制することができる蒸気供給プラントを提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明の蒸気供給プラントは、蒸気を発生させるボイラと、該ボイラの発生蒸気を蒸気消費設備に供給する蒸気配管を備えた蒸気供給プラントにおいて、太陽熱エネルギーを用いて前記蒸気配管内の蒸気を加熱或いは保温する太陽熱配管保温装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、蒸気配管の保温の熱源としてボイラの蒸気や電力を用いなくとも、蒸気配管の熱損失を抑制した蒸気供給プラントを提供できる。

本発明の一実施例である太陽熱配管保温装置のシステムフロー図。 本発明の一実施例である太陽熱配管保温装置のヒータ構造図。 本実施例の太陽熱配管保温装置による蒸気配管温度特性。 本実施例の太陽熱配管保温装置による蒸気配管圧力特性。

図１を用いて本発明の実施例を説明する。なお、本実施例ではガスタービンと排熱回収ボイラによるコジェネレーションシステム（以下、コジェネシステム）を例に用いて説明する。図１は、太陽熱配管保温装置を用いたコジェネシステムの全体系統図である。

本実施例では、ガスタービン１（内燃機関）、ボイラ２（排熱回収ボイラ）、蒸気配管３、圧力調整弁４及び蒸気消費設備９により構成されるコジェネシステムに、太陽熱配管保温装置５、太陽熱配管保温装置制御手段１０及びボイラ制御手段１１を含む太陽熱配管保温システムを備えている。

ガスタービン１は、燃料を空気とともに燃焼した燃焼ガスのエネルギーにてタービンを駆動し、この駆動力を回転力エネルギーとして発電するとともに、タービン駆動後の燃焼ガスを排気ガスとしてボイラ２に送る。ボイラ２は、排気ガスの熱エネルギーによって給水を沸騰・蒸発させ蒸気を発生させる。また、この蒸気を蒸気配管３を通じて蒸気消費設備９へと圧送する。蒸気の圧力は、ボイラ２出口に設置した圧力調整弁４にて調整する。

かかるコジェネシステムに対し、本実施例の太陽熱配管保温装置５は、集熱器６、ヒータ７、循環ポンプ８から構成される。また太陽熱配管保温装置の制御システムとして、蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６、蒸気消費設備入口蒸気圧力計測手段１４、太陽高度測定器２０、ボイラ蒸気圧力計測手段１２、太陽熱配管保温装置制御手段１０、ボイラ制御手段１１、を備える。

前記集熱器６は、太陽の熱エネルギーを曲面鏡を用いて鏡の前に設置した配管に太陽光を集め、配管内を流れる媒体を加熱するものである。曲面鏡は東西方向に配管が位置するよう配置し、ギア、モータなどにより鏡の角度を変えることで配管への集熱量を調整できる。なお、配管内が水の沸点以上となることを想定し、引火点の高い油を用いる。

ヒータ７は、前記集熱器６にて得られた高温の媒体を用いて、蒸気配管３を加温する装置である。ヒータ７の構造例を図２に示す。ヒータを配管に着脱可能とするため、ヒータを複数かつ小口径の伝熱管２２及び曲げることが可能なフレキシブルパイプ２３で構成し、結束ベルト等を用いて図中矢印Ｋの方向（周方向）に蒸気配管に巻きつける構造とする。冷媒は図中Ｘより投入し、フレキシブルパイプ２３を伝熱管２２及びもう一つのフレキシブルパイプ２４を経てＹより抜き出す。Ｙより抜き出した冷媒は、循環ポンプに還流する。さらに、配管内を流れる媒体の熱エネルギーの大気へと放熱を防止するため、伝熱管２２を被覆して断熱材を巻きつける構造としてもよい。なお、図中矢印にて示すとおり蒸気配管３の蒸気流れ方向Ａと、伝熱管２２の媒体流れ方向Ｂは対向するよう構成し、蒸気と媒体との温度差を確保して蒸気から媒体への熱伝導を促進する。

再び図１にて本発明の実施例を説明する。
ヒータ７からの媒体は、循環ポンプ８を経て集熱器６へと再び流れ込む構成となる。なお、本図ではヒータからの媒体を直接循環ポンプへと供給する構成としたが、ヒータからの媒体を油タンクなどに貯留し、循環ポンプがタンク内の油を抜き出す構成としても良い。

以上に述べた太陽熱配管保温装置５の制御システムについて述べる。
制御システムは、太陽熱配管保温装置制御手段１０、太陽高度測定器２０、蒸気消費設備入口蒸気圧力計測手段１４、蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６、ボイラ制御手段１１及びボイラ蒸気圧力計測手段１２を備える。

太陽熱配管保温装置制御手段１０は、蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６より蒸気消費設備入口蒸気温度１７を、太陽高度測定器２０より太陽高度２１を入力し、制御指令として集熱器６に対し集熱器角度指令１８を出力する。すなわち、太陽熱配管保温装置制御手段１０において蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６が目標設定温度よりも低い場合、集熱器の仰角が太陽高度に追従するよう集熱器角度指令１８を計算する。また、蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６が目標設定温度よりも高い場合、集熱器の仰角が太陽高度に対して小さく（水平方向と）なるよう集熱器角度指令１８を計算する。

なお、太陽熱配管保温装置５と蒸気消費設備９の距離が離れている場合には、蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段１６からの計測信号を無線にて太陽熱配管保温装置制御手段１０へと送信する構成としても良い。

次に、ボイラ制御手段１１は、蒸気消費設備入口蒸気圧力計測手段１４より蒸気消費設備入口蒸気圧力１５を、ボイラ蒸気圧力計測手段１２よりボイラ蒸気圧力１３を入力し、制御指令として圧力調整弁４に対し圧力調整弁開度指令１９を出力する。具体的には、ボイラ制御手段１１において蒸気消費設備入口蒸気圧力１５と蒸気消費設備入口蒸気圧力１５の目標値との差を求め、この差とボイラ蒸気圧力１３の目標圧力を加算してあらたなボイラ蒸気圧力制御目標修正値を得る。さらにボイラ蒸気圧力１３が前記ボイラ蒸気圧力制御目標修正値に一致するよう、圧力調整弁４を計算する。なお、本制御は蒸気消費設備９における蒸気消費量の変動、ガスタービン１におけるタービン出力の変動に伴う蒸気圧力の変動を制御するとともに、ボイラから蒸気消費設備までの蒸気圧力損失を、ボイラ出口蒸気圧力を高めに維持することにより蒸気の質を維持し、配管途中での圧力低下によるドレンの発生を防止する。

以上に述べた太陽熱配管保温装置５の運転結果を図３及び図４に示す。
図３は、太陽熱配管保温装置５を２基、蒸気配管途中に設置して配管保温した場合の蒸気配管内蒸気温度の概略図である。

図中横軸は配管長を表し、配管長０をボイラ出口、配管長Ｌを蒸気消費設備入口と仮定する。また、Ｈ１、Ｈ２の２地点にそれぞれ太陽熱配管保温装置を設置している。

一方、図中縦軸は蒸気配管内の蒸気温度を表す。ボイラ出口における蒸気温度がＴ₀であった場合、本発明の太陽熱配管保温装置５を適用しない場合においては、蒸気配管の距離に応じて蒸気温度は低下する。図では蒸気消費設備入口においてはＴまで温度が低下したことを示している。

これに対し、本実施例の太陽熱配管保温装置５を適用した場合には、図中Ｈ１、Ｈ２の地点において太陽熱による蒸気加温を実施することにより、蒸気温度がそれぞれの地点で上昇し、蒸気消費設備入口における蒸気温度はＴ′と、ボイラ出口における蒸気温度Ｔ₀から温度低下することなく蒸気を圧送することが可能となる。

図４は、図３と同条件下における蒸気配管内蒸気圧力の概略図である。
図中横軸は図３と同じく配管長を表す。図中縦軸は蒸気配管内の蒸気圧力を表す。本発明の太陽熱配管保温装置を適用せず、ボイラ出口における蒸気圧力をＰ₀として圧送した場合、配管内を流れる蒸気の流速及び配管長に応じて圧力が低下し、図では蒸気消費設備入口においてＰまで圧力が低下する。

これに対し、本実施例の太陽熱配管保温装置５を適用した場合には、蒸気消費設備入口蒸気圧力の計測結果に基づきドラム蒸気圧力をＰ₀′まで高めることにより、蒸気消費設備入口における蒸気圧力をＰ′として蒸気品質を維持することが可能となる。

なお、本実施例では蒸気発生の手段としてガスタービン及びボイラによるコジェネレーションシステムを用いたが、本発明の太陽熱配管保温装置は、微粉炭をボイラ内部で燃焼して蒸気を得る石炭焚きボイラにも適用可能である。同様に、油をボイラ内部で燃焼して蒸気を得る油焚きボイラやバイオマスやごみなどを燃焼して蒸気を得るボイラプラントにも適用可能である。

また、本実施例に記載の太陽熱配管保温装置は、集熱器にて太陽からの熱エネルギーを利用し蒸気配管を加温したが、本装置に太陽からの光エネルギーを電力へと変換する太陽光発電装置を併設しても良い。太陽光発電装置により本発明に記載のポンプの動力、集熱器の仰角を調整する駆動装置及び太陽熱配管保温装置制御手段で消費される電力が供給される場合、本発明の太陽熱配管保温装置は、電源によらず設置可能となる。この場合、配管での温度低下が顕著な位置に太陽熱配管保温装置を設置することにより、さらに蒸気品質を向上することが可能となる。

以上説明した本実施例によれば、集熱器にて得られた太陽からの熱エネルギーを用いて媒体を加熱し、この媒体の熱エネルギーを配管に伝えることにより、蒸気や電力などのエネルギーに頼ることなく、配管内流体の保温、あるいは加温の効果が得られ、熱損失を低下させることができる。この結果、蒸気消費設備入口ではより高温の蒸気が得られるため、蒸気消費設備内の稼働率、エネルギー利用率が改善し、システム全体としてのエネルギー利用率が向上する。

さらに、本実施例の太陽熱配管保温装置では、蒸気配管を保温あるいは加温するヒータを配管から着脱可能とすることにより、配管経路が変更となった場合においても、熱源の確保を考慮することなく、容易に蒸気配管の保温、あるいは加温が可能となる。

また、これまでヒータが敷設不可能であった配管に対してもヒータを設置可能として、システム全体としてのエネルギー利用率が向上する。

さらに、本実施例の太陽熱配管保温装置では、蒸気消費設備入口における蒸気の温度を計測し、この計測値及び太陽高度に基づき集熱器の角度を制御することにより、時刻により太陽高度が変化した場合においても、加熱対象である媒体の温度を最大として一日を通じて安定した蒸気配管の保温、あるいは加温が可能となる。

さらには、蒸気消費設備入口における蒸気の圧力を計測し、この計測値に基づきボイラ出口に設置した圧力調整弁の開度を制御することにより、配管経路が変更となった場合においても、蒸気消費設備入口における蒸気の圧力を維持し、蒸気圧力低下によるドレンの発生を最小としてシステム全体としてのエネルギー利用率が向上する。

蒸気を供給するプラント、特に蒸気配管を用いて蒸気を遠地へと供給するコジェネレーションプラントに利用可能である。

１ ガスタービン
２ ボイラ
３ 蒸気配管
４ 圧力調整弁
５ 太陽熱配管保温装置
６ 集熱器
７ ヒータ
８ 循環ポンプ
９ 蒸気消費設備
１０ 太陽熱配管保温装置制御手段
１１ ボイラ制御手段
１２ ボイラ蒸気圧力計測手段
１３ ボイラ蒸気圧力
１４ 蒸気消費設備入口蒸気圧力計測手段
１５ 蒸気消費設備入口蒸気圧力
１６ 蒸気消費設備入口蒸気温度計測手段
１７ 蒸気消費設備入口蒸気温度
１８ 集熱器角度指令
１９ 圧力調整弁開度指令
２０ 太陽高度測定器
２１ 太陽高度
２２ 伝熱管
２３、２４ フレキシブルパイプ

Claims (12)

1. 蒸気を発生させるボイラと、該ボイラの発生蒸気を蒸気消費設備に供給する蒸気配管を備えた蒸気供給プラントにおいて、太陽熱エネルギーを用いて前記蒸気配管内の蒸気を加熱或いは保温する太陽熱配管保温装置を備えたことを特徴とする蒸気供給プラント。
2. 請求項１に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記太陽熱配管保温装置は、太陽熱を集熱して媒体を加熱する集熱器と、該集熱器で加熱された媒体を用いて前記蒸気配管を保温或いは加熱するヒータと、該ヒータを経由した媒体を前記集熱器に還流させる循環ポンプにより構成したことを特徴とする蒸気供給プラント。
3. 請求項２に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記ヒータは、前記蒸気配管に対して着脱可能に構成したことを特徴とする蒸気供給プラント。
4. 請求項２に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記蒸気消費設備の入口の蒸気温度を計測する蒸気温度計測手段と、
   太陽高度情報と前記蒸気温度計測手段で計測された蒸気温度を入力し、前記蒸気消費設備の入口蒸気温度が所定の温度となるように前記集熱器の角度を制御する太陽熱配管保温装置制御手段を備えたことを特徴とする蒸気供給プラント。
5. 請求項２に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記ボイラ出口の蒸気圧力を制御する圧力制御弁と、
   前記蒸気消費設備の入口の蒸気圧力を計測する蒸気圧力計測手段と、
   前記蒸気圧力計測手段で計測された蒸気温度を入力し、前記蒸気消費設備の入口の蒸気圧力が所定の圧力となるように前記圧力制御弁の開度を制御するボイラ制御手段を備えたことを特徴とする蒸気供給プラント。
6. 請求項２に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記ヒータは、複数の電熱管と、該複数の電熱管の各々と接続されたフレキシブルパイプにより構成され、前記フレキシブルパイプを前記蒸気配管の周方向に巻きつけることで着脱可能としたことを特徴とする蒸気供給プラント。
7. 請求項１に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   前記ボイラは、内燃機関の排熱回収ボイラ、微粉炭をボイラ内部で燃焼させる石炭焚きボイラ、油燃料を用いる油焚きボイラ、バイオマス燃料を用いるバイオマスボイラ、或いは焼却炉の排熱を利用する焼却炉ボイラであることを特徴とする蒸気供給プラント。
8. 請求項１に記載の蒸気供給プラントにおいて、
   その回転駆動により電力を得るガスタービンを備え、前記ボイラとして前記ガスタービンの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを用い、電力と熱を供給するコジェネレーションシステムに適用したことを特徴とする蒸気供給プラント。
9. ボイラの発生蒸気を蒸気消費設備に供給する蒸気配管の保温装置であって、
   太陽熱エネルギーを用いて前記蒸気配管内の蒸気を加熱或いは保温するように構成したことを特徴とする太陽熱配管保温装置。
10. 請求項９に記載の太陽熱配管保温装置において、
    太陽熱を集熱して媒体を加熱する集熱器と、該集熱器で加熱された媒体を用いて蒸気配管を保温或いは加熱するヒータと、該ヒータを経由した媒体を前記集熱器に還流させる循環ポンプにより構成したことを特徴とする太陽熱配管保温装置。
11. 請求項１０に記載の太陽熱配管保温装置において、
    前記ヒータは、複数の電熱管と、該複数の電熱管の各々と接続されたフレキシブルパイプにより構成され、前記フレキシブルパイプを前記蒸気配管の周方向に巻きつけることで着脱可能としたことを特徴とする太陽熱配管保温装置。
12. 蒸気を発生させるボイラと、該ボイラの発生蒸気を蒸気消費設備に供給する蒸気配管を備えた蒸気供給プラントにおける蒸気保温方法において、
    太陽熱を集熱して媒体を加熱し、該媒体を用いて前記蒸気配管を流通する蒸気を加熱或いは保温することを特徴とする蒸気供給プラントの蒸気保温方法。