JP2015025422A - ボイラ用給水予熱システム及びボイラ用給水予熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有効エネルギ（エクセルギ）の回収量が従来よりも高いボイラ用給水予熱システム及びボイラ用給水予熱方法を提供する。【解決手段】ボイラに供給される水（ボイラ供給水Ｗ２）を所定の予熱手段で予熱するボイラ用給水予熱システムであって、上記予熱手段は、熱媒Ｍを用いることにより、ボイラにおけるドレン温水Ｗ１の熱をボイラ供給水Ｗ２に移動させて予熱すると共に発電機ｒ５を駆動して電力を発生させるランキンサイクルＲ（熱サイクル）である。【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラ用給水予熱システム及びボイラ用給水予熱方法に関する。

ボイラの技術分野では、例えば下記特許文献１に開示された排熱回収ボイラのように、ガスタービンの排ガス（高温ガス）を利用して給水を予め加熱（予熱）した後に水蒸気化（気化）させる給水手法が行われている。すなわち、この給水手法は、熱交換器を用いることにより給水を燃焼排ガスで加熱（予熱）するものである。このような給水手法を用いたボイラシステムでは、当該予熱後の給水をボイラ本体で水蒸気化する。

特開平０８−９３４１２号公報

ところで、上述した給水手法はボイラシステムのエネルギー効率（ボイラ効率）を向上させるための１つの方策であるが、昨今のボイラ市場では、ボイラ効率の単純な向上ではなく、ボイラシステムにおける有効エネルギ（available energy）の回収量の向上が要望されており、ボイラ製造メーカーとしては、このような市場の要望に的確に答えていく必要がある。
なお、上記有効エネルギ（available energy）は、エクセルギ（exergy）とも呼ばれる熱力学的な概念であり、ある系から力学的な仕事として取り出せるエネルギとして一般に知られている。本願発明における有効エネルギは、ボイラの熱源が有する総エネルギのうち力学的な仕事（電気等の動力）として回収できるエネルギ（仕事量）を意味する。

本発明は、有効エネルギの回収量が従来よりも高いボイラ用給水予熱システム及びボイラ用給水予熱方法を提供することを目的とする。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第１の解決手段として、ボイラに供給される水（ボイラ供給水）を所定の予熱手段で予熱するボイラ用給水予熱システムであって、前記予熱手段は、所定の熱媒を用いることにより、前記ボイラにおける廃熱源の熱を前記ボイラ供給水に移動させて予熱すると共に電力を発生させる熱サイクルである、という手段を採用する。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記予熱手段は、前記熱サイクルに加えて、前記廃熱源と前記ボイラ供給水とを熱交換させて前記ボイラ供給水を予熱する補助熱交換器を備える、という手段を採用する。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記廃熱源は、前記ボイラが発生した水蒸気を所定用途に使用して得られるドレン温水である、という手段を採用する。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記熱媒は、沸点が水よりも低い低沸点熱媒である、という手段を採用する。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第５の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記廃熱源は、前記ボイラの燃焼器で発生した燃焼排ガスである、という手段を採用する。

本発明は、ボイラ用給水予熱システムに係る第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、前記熱媒は、沸点が水よりも高い高沸点熱媒である、という手段を採用する。

また、本発明は、ボイラ用給水予熱方法に係る解決手段として、ボイラに供給される水（ボイラ供給水）を予熱するボイラ用給水予熱方法であって、所定の熱サイクルを用いることにより、前記ボイラにおける廃熱源の熱を前記ボイラ供給水に移動させて予熱すると共に電力を発生させる、という手段を採用する。

本発明によれば、ボイラにおける廃熱源の熱をボイラ供給水に移動させて予熱すると共に電力を発生させる熱サイクルを有するので、廃熱源とボイラ供給水とを単純に熱交換してボイラ供給水を予熱する従来技術よりも有効エネルギ（エクセルギ）の回収量が高いボイラ用給水予熱システム及びボイラ用給水予熱方法を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係るボイラ用給水予熱システムのシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係るボイラ用給水予熱システムの動作を示す特性図である。

以下、上記図面を参照して本発明の一実施形態に係るボイラ用給水予熱システムについて説明する。

本ボイラ用給水予熱システムは、図１に示すようにドレン温水Ｗ１を用いてボイラに供給される水（ボイラ供給水Ｗ２）を予熱するものであり、ランキンサイクルＲ及び補助熱交換器Ｈから構成されている。上記ドレン温水Ｗ１は、ボイラで発生させた水蒸気を所定用途に使用した結果得られるものであり、例えば１００〜１３０℃程度の温水である。例えば蒸気タービンを駆動するための水蒸気を生成するボイラの場合、上記ドレン温水Ｗ１は、蒸気タービンを駆動することによって水蒸気が凝縮して回収される凝縮水である。上記ボイラ供給水Ｗ２は、上述したようにボイラに供給される水であり、ボイラのシステム構成にも依るが例えば２０〜５０℃、好ましくは３０℃程度である。

ランキンサイクルＲは、沸点が水よりも低い熱媒Ｍ（低沸点熱媒）を用いる熱サイクルであり、図１に示すように第１熱交換器ｒ１、第２熱交換器ｒ２、ポンプｒ３、タービンｒ４及び発電機ｒ５を備えている。上記熱媒Ｍは、例えばベンゼンやフロン類、シリコーンオイル等である。

第１熱交換器ｒ１は、ポンプｒ３から供給される液体状態の熱媒Ｍとドレン温水Ｗ１とを熱交換させる装置である。上記液体状態の熱媒Ｍは、この第１熱交換器ｒ１において加熱されることにより気体状態に状態変化してタービンｒ４に供給される。すなわち、第１熱交換器ｒ１は、熱媒Ｍについて見ると気化器として機能し、一方、ドレン温水Ｗ１について見ると冷却器として機能する。

第２熱交換器ｒ２は、上記タービンｒ４から回収された熱媒Ｍとボイラ供給水Ｗ２とを熱交換させる装置である。上記熱媒Ｍは、この第２熱交換器ｒ２において冷却されることにより完全に凝縮した液体状態となってポンプｒ３に供給される。すなわち、第２熱交換器ｒ２は、熱媒Ｍについて見ると凝縮器として機能し、一方、ボイラ供給水Ｗ２について見ると加熱器として機能する。

ポンプｒ３は、熱媒ＭをランキンサイクルＲ内で循環させるために、図示するように上記第１熱交換器ｒ１と第２熱交換器ｒ２との間に設けられている。タービンｒ４は、第１熱交換器ｒ１から供給された気体状態の熱媒Ｍを駆動媒体として回転する動力源であり、図示するように上記第１熱交換器ｒ１と第２熱交換器ｒ２との間に設けられている。すなわち、タービンｒ４に供給される気体状態の熱媒Ｍは、第１熱交換器ｒ１で気化した圧縮ガスであり、タービンｒ４に回転動力を発生させる。発電機ｒ５は、回転軸が上記タービンｒ４と軸結合しており、当該タービンｒ４によって回転駆動されることによって交流電力Ｐを発生する。

このようなランキンサイクルＲでは、液体状態の熱媒Ｍが第２熱交換器ｒ２からポンプｒ３を介して第１熱交換器ｒ１に供給され、また気体状態の熱媒Ｍが第１熱交換器ｒ１からタービンｒ４を介して第２熱交換器ｒ２に供給される。換言すると、ランキンサイクルＲでは、熱媒Ｍが液体と気体とに状態変化を繰り返しつつ、第２熱交換器ｒ２、ポンプｒ３、第１熱交換器ｒ１及びタービンｒ４を循環する。

また、このようなランキンサイクルＲは、熱媒Ｍを介することによりドレン温水Ｗ１の熱をボイラ供給水Ｗ２に移動させて当該ボイラ供給水Ｗ２を加熱（昇温）すると共に、熱媒Ｍによってタービンｒ４を駆動することによって発電する。すなわち、本実施形態におけるランキンサイクルＲは、熱輸送の機能と発電機能とを併せ持つものである。

補助熱交換器Ｈは、上記第１熱交換器ｒ１を経由したドレン温水Ｗ１と上記第２熱交換器ｒ２を経由したボイラ供給水Ｗ２とを熱交換させる装置である。第１熱交換器ｒ１から補助熱交換器Ｈに供給されるドレン温水Ｗ１の温度は上記第２熱交換器ｒ２から補助熱交換器Ｈに供給されるボイラ供給水Ｗ２の温度よりも高温である。したがって、ボイラ供給水Ｗ２は、補助熱交換器Ｈにおいてさらに加熱（昇温）される。

このような補助熱交換器Ｈを経由したボイラ供給水Ｗ２は、ランキンサイクルＲによって一次的に予熱され、さらに補助熱交換器Ｈによって二次的に予熱された温水であり、予熱水としてボイラに供給される。一方、補助熱交換器Ｈを経由したドレン温水Ｗ１は、ランキンサイクルＲによって一次的に冷却され、さらに補助熱交換器Ｈによって二次的に冷却された状態で廃水処理装置に供給される。

次に、このように構成された本ボイラ用給水予熱システムの動作について、図２をも参照して詳しく説明する。

本ボイラ用給水予熱システムでは、ドレン温水Ｗ１は、第１熱交換器ｒ１を最初に経由し、さらに補助熱交換器Ｈを経由した後に廃水処理装置に供給される。一方、ボイラ供給水Ｗ２は、第２熱交換器ｒ２を最初に経由し、さらに補助熱交換器Ｈを経由した後に予熱水としてボイラに供給される。例えば、ドレン温水Ｗ１は、第１熱交換器ｒ１における液体状態の熱媒Ｍとの熱交換によって、例えば８０〜９０℃まで冷却され、一方、ボイラ供給水Ｗ２は、第２熱交換器ｒ２における気体状態の熱媒Ｍとの熱交換によって例えば４０℃近くまで加熱（予熱）される。

そして、ドレン温水Ｗ１は、補助熱交換器Ｈにおけるボイラ供給水Ｗ２との熱交換によって、例えば５０℃近くまで冷却され、一方、ボイラ供給水Ｗ２は、補助熱交換器Ｈにおけるドレン温水Ｗ１との熱交換によって例えば６５℃近くまで加熱（予熱）される。すなわち、ランキンサイクルＲと補助熱交換器Ｈとによってドレン温水Ｗ１の熱がボイラ供給水Ｗ２に移動することにより、ボイラ供給水Ｗ２は、例えば６５℃近くまで加熱（予熱）される。

図２は、上記ドレン温水Ｗ１、ボイラ供給水Ｗ２及び熱媒Ｍにおける相互の熱交換状態を交換熱量（横軸）と温度（縦軸）との関係で示す特性図である。この図２において、実線はドレン温水Ｗ１の熱交換状態を示し、一点鎖線はボイラ供給水Ｗ２の熱交換状態を示し、また破線は熱媒Ｍの熱交換状態を示している。

最初に、横軸のＢ-Ｄ領域は、第２熱交換器ｒ２におけるボイラ供給水Ｗ２と気体状態の熱媒Ｍとの熱交換過程を示しており、トータルとして熱量Ｑ_ＢＤが気体状態の熱媒Ｍからボイラ供給水Ｗ２に移動する。すなわち、このＢ-Ｄ領域では、ボイラ供給水Ｗ２が３０℃程度（初期温度）から４０℃近くまで昇温する一方、気体状態の熱媒Ｍが所定の凝縮温度で気体から液体に順次状態変化する。なお、横軸のＤ-Ｃ領域は、タービンｒ４によって気体状態の熱媒Ｍが凝縮温度近傍まで冷却される熱交換過程を示している。

横軸のＢ-Ｃ領域は、第１熱交換器ｒ１におけるドレン温水Ｗ１と液体状態の熱媒Ｍとの熱交換過程を示しており、トータルとして熱量Ｑ_ＢＣがドレン温水Ｗ１から液体状態の熱媒Ｍに移動する。すなわち、このＢ-Ｃ領域では、ドレン温水Ｗ１が液体状態の熱媒Ｍが徐々に昇温すると共に所定の蒸発温度で液体から気体に順次状態変化する一方、ドレン温水Ｗ１が１００〜１３０℃から８０〜９０℃まで冷却される。

さらに、横軸のＡ-Ｂ領域は、補助熱交換器Ｈにおけるドレン温水Ｗ１とボイラ供給水Ｗ２との熱交換過程を示しており、トータルとして熱量Ｑ_ＡＢがドレン温水Ｗ１からボイラ供給水Ｗ２に移動する。すなわち、このＡ-Ｂ領域では、第２熱交換器ｒ２によって４０℃近くまで昇温されたボイラ供給水Ｗ２がドレン温水Ｗ１によってさらに６５℃近くまで昇温する一方、第１熱交換器ｒ１によって８０〜９０℃まで冷却されたドレン温水Ｗ１が５０℃近くまで冷却される。

また、これと並行して、ランキンサイクルＲでは、熱媒Ｍが駆動媒体としてタービンｒ４に力学的に作用することにより動力が発生し、当該タービンｒ４の動力によって発電機ｒ５が回転駆動されることによって交流電力Ｐが発生する。すなわち、本ボイラ用給水予熱システムでは、ランキンサイクルＲを設けることによってボイラ供給水Ｗ２を予熱することに加えて、交流電力Ｐを発生させる。

ここで、電力の有効エネルギ効率（エクセルギ効率）を「１」とした場合、周知のように熱エネルギは、１００％電力に変換することができないので、有効エネルギ効率が電力よりも低い。仮に、ランキンサイクルＲを削除して補助熱交換器Ｈのみを用いてボイラ供給水Ｗ２を６５℃まで加熱（予熱）した場合、ボイラ供給水Ｗ２がドレン温水Ｗ１から獲得する有効エネルギは、試算例として１５０５ｋＷ（＝ｋＪ/ｓ）である。ドレン温水Ｗ１の温度を例えば１０２℃とすると、ドレン温水Ｗ１の最大有効エネルギは例えば３４７８ｋＷ（＝ｋＪ/ｓ）なので、有効エネルギ利用率は、４３．３％（＝１５０５／３４７８）となる。

これに対して、本ボイラ用給水予熱システムでは、上記有効エネルギ「１５０５ｋＷ（＝ｋＪ/ｓ）」に加えて交流電力Ｐの有効エネルギがドレン温水Ｗ１から獲得されるので、ランキンサイクルＲを削除して補助熱交換器Ｈのみを用いてボイラ供給水Ｗ２を６５℃まで加熱（予熱）した場合とりも当然に大きな有効エネルギを獲得することができる。例えば発電機ｒ５によって５７７ｋＷの交流電力Ｐが得られた場合、有効エネルギ利用率は、５９．９％（＝２０８２／３４７８）となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、ドレン温水Ｗ１を用いてボイラ供給水Ｗ２を加熱（昇温）するようにランキンサイクルＲを構成したが、本発明はこれに限定されない。ボイラで発生する廃熱にはドレン温水Ｗ１の他に様々なものがある。例えば燃焼器で発生する燃焼排ガスは、ドレン温水Ｗ１よりも高温（数百℃）な廃熱源であり、ボイラ供給水Ｗ２に代えて用いることが考えられる。

また、必要に応じて燃焼排ガスとボイラ供給水Ｗ２とを廃熱源として供用することが考えられる。この場合、例えば燃焼排ガスを用いてボイラ供給水Ｗ２を加熱（昇温）するようにランキンサイクルを構成し、また補助熱交換器Ｈにおいては、上記実施形態と同様にドレン温水Ｗ１を用いてボイラ供給水Ｗ２を加熱（昇温）することが考えられる。

（２）上記実施形態では、沸点が水よりも低い熱媒Ｍ（低沸点熱媒）を用いてランキンサイクルＲを構成したが、本発明はこれに限定されない。低沸点熱媒として例示した熱媒以外のものを用いても良く、さらには低沸点熱媒に代えて沸点が水よりも高い高沸点熱媒を用いてもよい。特に、上述した燃焼排ガスを廃熱源として用いる場合には、燃焼排ガスの温度が水の沸点よりもかなり高い数百℃なので、高沸点熱媒を用いることが可能である。

また、燃焼排ガスを廃熱源として用いる場合には、複数のランキンサイクルを設けることが考えられる。すなわち、燃焼排ガス及びボイラ供給水Ｗ２の上流側から下流側にかけて複数のランキンサイクルを設け、上流側つまり燃焼排ガスの温度が比較的高いランキンサイクルでは高沸点熱媒を用い、下流側つまり燃焼排ガスの温度が比較的低いランキンサイクルでは低沸点熱媒を用いることが可能である。

また、燃焼排ガスを廃熱源として用いる場合には、ランキンサイクルに追加の熱交換器を設けることが考えられる。すなわち、ボイラ給水Ｗ２で熱媒Ｍを加熱した後に、燃焼排ガスを導入した熱交換器で熱媒Ｍをさらに過熱する。ランキンサイクルの効率は、熱媒Ｍの最高温度を「ＴＨ」、熱媒Ｍの凝縮温度を「ＴＣ」とすると、１−（ＴＣ/ＴＨ）で定義されるため、熱媒Ｍの最高温度ＴＨが高くなるほどサイクル効率が向上する。

（３）上記実施形態では、ボイラ供給水Ｗ２を二次的に予熱する補助熱交換器Ｈを設けたが、本発明はこれに限定されない。補助熱交換器Ｈは、必要に応じて削除してもよい。

（４）上記実施形態では、ボイラ供給水Ｗ２を加熱（予熱）の対象としたが、本発明はこれに限定されない。ボイラの燃焼器に供給する燃焼用空気を加熱（予熱）の対象としてもよい。

（５）また、高温熱源であるドレン水が十分清浄(ボイラ給水の基準を満たす)である場合には、補助熱交換器Ｈから廃水処理装置に供給されるドレン温水Ｗ１をボイラ供給水Ｗ２として再利用してもよい。この場合、ボイラ供給水Ｗ２の全量をドレン温水Ｗ１で賄ってもよく、あるいはボイラ供給水Ｗ２の一部をドレン温水Ｗ１で賄ってもよい。このようにドレン温水Ｗ１をボイラ供給水Ｗ２として再利用することにより、ドレン温水Ｗ１の保有熱量を有効に利用することができる。なお，ボイラ供給水Ｗ２の一部をドレン温水Ｗ１で賄う際には、ボイラ供給水Ｗ２の加熱中においてボイラ供給水Ｗ２の温度がドレン温水Ｗ１と同等温度の点で混合することが望ましい。

Ｒ ランキンサイクル（熱サイクル）、ｒ１ 第１熱交換器、ｒ２ 第２熱交換器、ｒ３ ポンプ、ｒ４ タービン、ｒ５ 発電機、Ｈ 補助熱交換器、Ｗ１ ドレン温水、Ｗ２ ボイラ供給水、Ｍ 熱媒（低沸点熱媒）

Claims (7)

1. ボイラに供給される水（ボイラ供給水）を所定の予熱手段で予熱するボイラ用給水予熱システムであって、
   前記予熱手段は、所定の熱媒を用いることにより、前記ボイラにおける廃熱源の熱を前記ボイラ供給水に移動させて予熱すると共に電力を発生させる熱サイクルであることを特徴とするボイラ用給水予熱システム。
2. 前記予熱手段は、前記熱サイクルに加えて、前記廃熱源と前記ボイラ供給水とを熱交換させて前記ボイラ供給水を予熱する補助熱交換器を備えることを特徴とする請求項１記載のボイラ用給水予熱システム。
3. 前記廃熱源は、前記ボイラが発生した水蒸気を所定用途に使用して得られるドレン温水であることを特徴とする請求項１または２記載のボイラ用給水予熱システム。
4. 前記熱媒は、沸点が水よりも低い低沸点熱媒であることを特徴とする請求項３記載のボイラ用給水予熱システム。
5. 前記廃熱源は、前記ボイラの燃焼器で発生した燃焼排ガスであることを特徴とする請求項１または２記載のボイラ用給水予熱システム。
6. 前記熱媒は、沸点が水よりも高い高沸点熱媒であることを特徴とする請求項５記載のボイラ用給水予熱システム。
7. ボイラに供給される水（ボイラ供給水）を予熱するボイラ用給水予熱方法であって、
   所定の熱サイクルを用いることにより、前記ボイラにおける廃熱源の熱を前記ボイラ供給水に移動させて予熱すると共に電力を発生させることを特徴とするボイラ用給水予熱方法。

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