JP2015518130A - 熱電併給ステーション - Google Patents

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Abstract

少なくとも1つの1次熱源(11)が、1つ又は複数の1次熱交換器(111)を介して、熱エネルギー(Q)のための分配ネットワーク(15)に熱的に接続されており、少なくとも1つの2次熱源(12)が、1つ又は複数のエネルギー変換器(13)に熱的に接続されており、ある量の熱エネルギー(QH)が少なくとも1つの2次熱源から供給される場合に、エネルギー変換器が、内部電力分配ネットワーク(19)のためのある量の電気エネルギー(PEL)を発生する、熱電併給プラント(1)及びそのような熱電併給プラントの運転方法に関する。【選択図】図2

Description

本発明は、1次熱源が1次熱交換器を介して熱エネルギーのための熱分配ネットワークと熱的に接触している熱電併給プラント(CHPプラント)に関する。また、CHPプラントの運転方法に関する。
現在の地域の暖房設備は多量のバイオマスをエネルギー源として用いており、バイオマスは燃焼され、放出エネルギーは適切な温度に水を加熱するために活用される。規制要件に該当しないように、例えば蒸気ボイラー又は地域の暖房プラントのような設備は、一般的に120℃以下の温度及び2barまでの運転圧力において運転される。ある程度大きなエネルギーを生産する代わりに、これらのプラントは、ポンプなどを運転するために外部の分配ネットワークから電力を得る必要があるため、独立したユニットとして運転させることができない。
本発明の目的は、先行技術の少なくとも1つの欠点を改善すること又は減らすこと、若しくは少なくとも先行技術に対して有益な代替技術を提供することである。
本発明の目的は、明細書の下記の部分及びそれに続く特許請求の範囲において説明される特徴によって達成される。
本発明は熱電併給プラント(CHPプラント)を提供する。このCHPプラントは、相対的に低温(120℃)の熱を提供することに加え、電力を自給自足し、外部電力分配ネットワークに余剰電気エネルギーを可能な限り引き渡すことができる。これは、1次熱源を有するCHPプラントによって達成され、この1次熱源においては、一般的にはバイオマスの燃焼によって成される燃料の燃焼が、地域の熱分配ネットワークとも呼ばれる熱分配ネットワーク内を循環する1次熱分配流体を指定温度に、一般的には120℃に到達させるために実施される。このCHPプラントにおいては、1次熱源に加えて2次熱源も配置され、この2次熱源においては、一般的には1次熱源と同様の燃料の燃焼が、2次熱分配流体の温度が1次熱分配流体の温度よりも高くなるように加熱するために、それによってより高レベルな熱エネルギーを提供するために実施される。この熱エネルギーは、一般的には発電機を運転する熱機関であるエネルギー変換器、又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電機の運転に用いられる。電気エネルギーは、1次熱源と、熱分配ネットワークの可能であれば全部又は一部との運転に用いられる。更に、余剰エネルギーは、電力インターフェース装置を介して、電気エネルギーのための外部電力分配ネットワークに伝達されてもよく、この余剰エネルギーは、例えばエネルギー変換器又は2次熱源の運転が停止しているような状況などの、CHPプラントの自給自足する電気エネルギーが不足している場合に用いられてもよい。
本発明の目的は、エネルギー変換器からの残留熱を活用することであってもよく、この残留熱は、CHPプラントからの熱エネルギーを関連する熱分配ネットワークに接続されている消費体に伝達するために用いられる1次熱分配流体に、可能な限り多量に伝達される。これは、1つ又は複数の熱交換器によって達成され、前述の1つ又は複数の熱交換器は、エネルギー変換器内の熱交換器を通って循環する1次熱分配流体の全部又は一部によって、エネルギー変換器からの残留熱を1次熱分配流体に伝達する。
1次熱源と、2次熱源との比は、一般的には2:1から20:1の範囲にあってもよく、この範囲では一般的に、約5kWの電気エネルギーをエネルギー変換器から供給することを目標としている。
2次熱源は一般的には150から300℃の範囲の熱を供給し、熱はサーモオイル、加圧水、又は同様にエネルギー変換器を循環する媒体によって分配される。熱エネルギーがほぼ必要ではない期間においては、2次熱源のみが運転し続けられ、エネルギー変換器からの余剰熱(残留熱)が熱分配ネットワークに十分なエネルギーを供給すると考えられる。
場合によっては、エネルギー変換器から供給される電気エネルギーは、内部電力分配ネットワークへと直接戻ってくる前に、外部電力分配ネットワークに分配されてもよい。この分配は、一般的に、出力エネルギーに対する入力エネルギーが計量システムによって記録される場合に実施され、個々の計量器はそれによってシステムに出入りするエネルギーの流れを観測するために用いることができる。欧州にいくつか存在する小さな水電力発電所においては、現在、この方法によって発電所を運転している。つまり、生産される全ての電力は初めに外部ネットワークに供給され、内部ネットワークに吸収される電力は常に外部ネットワークから得られる。この場合、電力インターフェース装置は、エネルギー変換器と、外部電力分配ネットワークとのインターフェースのみを構築するように限定されてもよく、これによって、内部電力分配ネットワークは常に外部電力分配ネットワークに直接接続されるだろう。CHPプラントに入ってくる、及びCHPプラント内の電力分配流れを構築する方法は、他にも多く存在し、本発明は1つの特定の構成に限定されない。
1次熱源は、例えば様々な排熱源、又は地熱源などの燃焼に基づかない熱源を有してもよい。
2次熱源に接続されている熱交換流体回路は、バイパス状の熱交換器を備えてもよく、バイパス状の熱交換器は、必要な場合はいつでも、例えばエネルギー変換器の運転を停止している期間などにおいて、熱を熱分配ネットワークに直接伝達することができる。
一般的に、熱輸送のためには、いくつかのタイプの熱流体を使用することができ、最も明白なものが、水、空気、様々なサーモオイル又はシリコンオイルのような工業用の熱輸送流体だろう。
単純な実施形態においては、熱分配ネットワークは、空気吸入口と、ファンと、パイプと、熱交換器と、高温空気排出口とから構成されてもよく、高温空気は、暖房に、又は例えばバイオマスなどの異なる材料の乾燥に用いられてもよい。この様な場合、熱流体として水を用いた閉回路を使用する大半の地域の/局所の暖房プラントのような閉システムとは対照的に、熱分配ネットワークは開システムであり、つまり、熱流体としての空気が常に大気と作用しあっている。
第1の観点において、本発明は、より具体的には熱電併給プラント(CHPプラント)に関し、このCHPプラントにおいては、少なくとも1つの1次熱源が、1つ又は複数の1次熱交換器を介して、熱エネルギーのための熱分配ネットワークに熱的に接続されており、このCHPプラントは、少なくとも1つの2次熱源を特徴とし、この2次熱源は1つ又は複数のエネルギー変換器に熱的に接続されており、前述の1つ又は複数の熱エネルギー変換器は、ある量の熱エネルギーが少なくとも1つの2次熱源から供給されている場合に、CHPプラント内の内部電力分配ネットワークのために、ある量の電気エネルギーを発生するように構成される。
内部電力分配ネットワーク及び外部電力分配ネットワークは、前述の1つ又は複数のエネルギー変換器が発生するある量の電気エネルギーを、外部電力分配ネットワークに少なくとも部分的に伝達するように構成される電力インターフェース装置を介して、電気的に相互接続されてもよい。
電力インターフェース装置は、前述のエネルギー変換器によって発生可能な電気エネルギーの量と少なくとも一致する量の電気エネルギーを、外部電力分配ネットワークから内部電力分配ネットワークに伝達するように構成されてもよい。
熱分配ネットワークは、少なくとも1つの3次熱交換器を有してもよく、前述の少なくとも1つの3次熱交換器は、前述の1つ又は複数のエネルギー変換器の内の1つ又は複数に、熱的に接続されており、前述の1つ又は複数のエネルギー変換器からのある量の残留熱エネルギーを伝達するように構成される。
前述の少なくとも1つの3次熱交換器は、前述の1つ又は複数の1次熱交換器の上流に配置されてもよい。
空気プレヒータは、前述の1つ又は複数のエネルギー変換器に熱接続されてもよく、1つ又は複数の前述のエネルギー変換器からのある量の残留熱エネルギーの一部を受け取るように構成されてもよい。
1次熱源の公称熱出力容量と、2次熱源の公称熱出力容量との比は、2:1から20:1の範囲であってもよい。
第2の観点において、本発明は、より具体的には熱電併給プラント(CHPプラント)の運転方法に関し、
a)熱分配ネットワークに接続されている1つ又は複数の熱エネルギー消費体のために、ある量の熱エネルギーを供給する工程と、
a1)そのために、少なくとも1つの1次熱源と、熱分配ネットワークとの、1つ又は複数の1次熱交換器を介する熱的接触によって、前述の少なくとも1つの1次熱源からの熱エネルギーを、熱分配ネットワーク内の熱流体に伝達する工程と、
b)1つ又は複数のエネルギー変換器を用いて、少なくとも1つの2次熱源から前述の1つ又は複数のエネルギー変換器に供給されるある量の熱エネルギーを、電気エネルギーに変換する工程と、
c)電気エネルギーを前述の1つ又は複数のエネルギー変換器から内部電力分配ネットワークに伝達する工程と、
d)余剰電気エネルギーが存在する場合、発生する電気エネルギーの一部を、電力インターフェース装置を介して、外部電力分配ネットワークに伝達する工程と、
e)電気エネルギーが不足している場合、電力インターフェース装置を介して、外部電力分配ネットワークからの電気エネルギーを、内部電力分配ネットワークに伝達する工程とを有する方法を特徴とする。
この方法は、
a2)前述の少なくとも1つの2次熱源と、熱分配ネットワークとの熱的接触によって、前述の少なくとも1つの2次熱源から供給されるある量の熱エネルギーを前述の1つ又は複数のエネルギー変換器によって電力エネルギーに変換することから得られる残留熱エネルギーの形式である、ある量の熱のエネルギーを、少なくとも1つの3次熱交換器を介して供給する工程を更に有してもよい。
この方法は、
f)前述の少なくとも1つの1次熱源の上流に、前述の少なくとも1つの3次熱交換器を介して、ある量の熱のエネルギーを供給する工程を更に有してもよい。
この方法は、
g)空気プレヒータによって、前述の少なくとも1つの1次熱源用の吸気に熱エネルギーを供給する工程を有し、この熱エネルギーが前述の1つ又は複数のエネルギー変換器からの残留熱の一部となっている。
以下において、好ましい実施形態の例が説明され、添付の図面によって示される。
図1は、先行技術に係る地域の暖房プラントを示す基本的な図である。 図2は、本発明に係る熱電併給プラントの実施形態1を示す基本的な図である。 図3は、本発明に係る熱電併給プラントの実施形態2を示す基本的な図である。 図4は、本発明に係る熱電併給プラントの実施形態3を示す基本的な図である。
本発明の例としての実施形態の説明に関しては、特に図2、3、4を参照されたい。先行技術は、図1に示すように、本発明と共通するいくつかの基本的な特徴を提示しており、そのような要素は同じ部品番号によって示される。
部品番号1は、本発明に係る熱電併給プラント(CHPプラント)を示す。1次熱源11は、熱分配ネットワーク15に接続されており、熱エネルギーQを熱エネルギー消費体16に引き渡すように構成される。1次熱源11は、0.1から1MWの公称出力を有するそのままの大きさのボイラーであってもよい。1次熱源11は、吸気181下、燃焼に適する例えばバイオマスのような供給燃料18の燃焼を経て加熱されてもよく、ある量の熱エネルギーQL1が、熱分配ネットワーク15によって形成された循環回路の一部を構成する1次熱交換器111において利用可能となる。1次熱源11は、加熱に適する例えば水又はサーモオイルのような1次熱分配流体を、1次熱交換器111を介して加熱し、この1次熱分配流体は、約2barを超えないような圧力において排出温度が約120℃に制限される熱分配ネットワーク15内を循環する。
2次熱源12は、公称出力が約50kWである、より小型のボイラーであってもよい。2次熱源12は、吸気181の下、燃焼に適する例えば1次熱源11において使用される燃料と同タイプの燃料18’の燃焼を経て加熱されてもよく、ある量の熱エネルギーQL12が第1の2次熱交換器121において利用可能となる。排出温度が120℃よりもかなり高くなるように、一般的に150から300℃となるように、2次熱源12は、加熱に適する例えば過圧力下の水又はサーモオイルなどの熱交換流体回路122内を循環する2次熱分配流体を加熱する。ある量の熱エネルギーQは、エネルギー変換器13内の第2の2次熱交換器131に伝達され、このエネルギー変換器13は、一般的には熱機関又は熱電発電装置の形式であって、供給される熱エネルギーQによって電気エネルギーPELを発生し、一般的には公称出力電力は約5kWである。内部電力分配ネットワーク19に引き渡される電気エネルギーPELは、1次熱源11に接続されている電気部品(図には示してない)、及び可能であればCHPプラント1内の他の電力消費体の運転に用いられる。
エネルギー変換器13からの電気エネルギーPELの余剰分を外部電力分配ネットワーク17に供給することが可能となるように、そして、例えば2次熱源12又はエネルギー変換器13の運転停止によって外部電力源からの供給が必要となる状況において、エネルギー変換器13からのエネルギーPELの不足を外部電力分配ネットワーク17からの供給によって補うことが可能となるように、例えばインバータである電力インターフェース装置14は、CHPプラント1内の内部電力分配ネットワーク19及び外部電力分配ネットワーク17に接続されている。
熱分配ネットワーク15は、1次熱分配流体が循環するための閉回路を形成し、ある量の熱エネルギーQを1つ又は複数の熱エネルギー消費体16に伝達する。ここでは熱エネルギー消費体16を1つとして模式的に示している。図3及び図4に示される実施形態において、熱分配ネットワーク15は更に3次熱交換器151に接続されており、この3次熱交換器151はエネルギー変換器13内に配置され、エネルギー変換器13からの残留熱エネルギーQを伝達するように構成され、それによって、熱分配ネットワーク15内を循環する冷却された1次熱分配流体の戻り流れを予熱する。残留熱エネルギーQは、エネルギー変換器13のヒートシンク温度を最低に達させるために、及び高効率を達成するために、1次熱交換器111の上流から1次熱源11に優先的に供給される。
特に1次熱源11の効率を高めるために、吸気181を予熱することは利点となる。この目的のために、空気プレヒータ182が用いられてもよく、この空気プレヒータ182は、図4に示す実施形態においては、3次熱交換器151の下流が空気プレヒータ182を通り抜けるループ内に配置されている熱分配ネットワーク15から、熱が供給される。図示していない実施形態において、空気プレヒータ182は、独立した熱分配回路(図示していない)に接続されていてもよく、この熱分配回路は、例えば3次熱交換器151を介して、又は残留熱Qの一部を伝達するためにエネルギー変換器13に接続されるように構成される更なる熱交換器(図示していない)を介して、エネルギー変換器13に熱的に接続されている。
熱エネルギーがほとんど必要ない場合、例えば夏においては、エネルギー変換器13を用いた残留熱エネルギーQの供給は、図3及び図4に示す実施形態に関しては、熱エネルギーQの要求を補うのに十分であるだろう。この様な状況では、1次熱源11の運転を停止してもよい。1次熱源11の運転を停止している場合、必要な電気エネルギーPELは減少し、利用可能な残留熱エネルギーQが増加するだろう。
1次熱源11と、2次熱源12との比は、一般的には2:1から20:1であり、つまり、1次熱源11はこのタイプのプラント用の普通の大きさのバーナを備えてもよく、つまり一般的には100から1000kWであり、2次熱源12は、相対的に小さいバーナを備え、一般的には約50kWである。
本発明に係るCHPプラント1は、燃料の燃焼によって発生する熱エネルギーが分配されるような多くの目的のために用いられてもよい。一般的な適用範囲は、廃棄物、バイオマスを燃焼するためのプラント、標準的な地域の暖房プラント、木材乾燥機(チップ、削りくず、挽き材の乾燥機)などである。
第1の観点において、本発明は、より具体的には、地域の暖房プラント又は局所の暖房プラントのための熱電併給プラント(CHPプラント)に関し、このCHPプラントにおいては、バイオマス燃料を燃焼するボイラーの形式である少なくとも1つの1次熱源が、1つ又は複数の1次熱交換器を介して、120℃以下の温度において熱エネルギーを分配するための熱分配ネットワークに熱的に接続されており、このCHPプラントは、バイオマス燃料を燃焼するボイラーの形式である少なくとも1つの2次熱源を特徴とし、この2次熱源は1つ又は複数の熱機関の形式である1つ又は複数のエネルギー変換器に熱的に接続されており、前述の1つ又は複数の熱エネルギー変換器は、120℃よりもかなり高い温度においてある量の熱エネルギーが少なくとも1つの2次熱源から供給されている場合に、CHPプラント内の内部電力分配ネットワークのために、ある量の電気エネルギーを発生するように構成される。
第2の観点において、本発明は、より具体的には地域の暖房プラント又は局所の暖房プラントのための熱電併給プラント(CHPプラント)の運転方法に関し、
a)熱分配ネットワークに接続されている1つ又は複数の熱エネルギー消費体のために、120℃以下の温度においてバイオマス燃料を燃焼するボイラーの形式である、少なくとも1つの1次熱源からのある量の熱エネルギーを供給する工程と、
a1)そのために、少なくとも1つの1次熱源と、熱分配ネットワークとの、1つ又は複数の1次熱交換器を介する熱的接触によって、前述の少なくとも1つの1次熱源からの熱エネルギーを、熱分配ネットワーク内の熱流体に伝達する工程と、
a2)バイオマス燃料を燃焼するボイラー形式である少なくとも1つの2次熱源と、熱分配ネットワークとの熱的接触によって、2次熱源から供給されるある量の熱エネルギーを1つ又は複数のエネルギー変換器によって電力エネルギーに変換することから得られる残留熱エネルギーの形式である、ある量の熱エネルギーを、少なくとも1つの3次熱交換器を介して供給する工程と、
b)1つ又は複数の熱機関の形式である1つ又は複数のエネルギー変換器を用いて、120℃よりもかなり高い温度において、少なくとも1つの2次熱源から前述の1つ又は複数のエネルギー変換器に供給されるある量の熱エネルギーを、電気エネルギーに変換する工程と、
c)電気エネルギーを前述の1つ又は複数のエネルギー変換器から内部電力分配ネットワークに伝達する工程と、
d)余剰電気エネルギーが存在する場合、発生する電気エネルギーの一部を、電力インターフェース装置を介して、外部電力分配ネットワークに伝達する工程と、
e)電気エネルギーが不足している場合、電力インターフェース装置を介して、外部電力分配ネットワークからの電気エネルギーを、内部電力分配ネットワークに伝達する工程とを有する方法を特徴とする。

Claims (11)

  1. 少なくとも1つの1次熱源(11)が、1つ又は複数の1次熱交換器(111)を介して、熱エネルギー(Q)のための熱分配ネットワーク(15)に熱的に接続されている熱電併給プラント(1)において、
    少なくとも1つの2次熱源(12)が、1つ又は複数のエネルギー変換器(13)に熱的に接続され、
    前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)が、ある量の熱エネルギー(Q)が前記少なくとも1つの2次熱源(12)から供給されている場合に、内部電力分配ネットワーク(19)のために、ある量の電気エネルギー(PEL)を発生するように構成されることを特徴とする、熱電併給プラント。
  2. 前記内部電力分配ネットワーク(19)及び外部電力分配ネットワーク(17)が、電力インターフェース装置(14)を介して電気的に相互接続されており、
    前記電力インターフェース装置(14)が、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)から発生する前記量の電気エネルギー(PEL)の少なくとも一部を、前記外部電力分配ネットワーク(17)に伝達するために配置されている、請求項1に記載の熱電併給プラント。
  3. 前記電力インターフェース装置(14)が、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)によって発生可能な前記量の電気エネルギー(PEL)と少なくとも一致する量の電気エネルギーを、前記外部電力分配ネットワーク(17)から前記内部電力分配ネットワーク(19)に伝達するために配置されている、請求項2に記載の熱電併給プラント。
  4. 前記熱分配ネットワーク(15)が、少なくとも1つの3次熱交換器(151)を有し、
    前記3次熱交換器(151)が、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)の内の1つと熱的に接続されており、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)からのある量の残留熱エネルギー(Q)を伝達するために配置されている、請求項1に記載の熱電併給プラント。
  5. 前記少なくとも1つの3次熱交換器(151)が、前記1つ又は複数の1次熱交換器(111)の上流に配置されている、請求項4に記載の熱電併給プラント。
  6. 空気プレヒータ(182)が、1つ又は複数の前記エネルギー変換器(13)に熱的に接続されており、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)からのある量の残留熱エネルギー(Q)の一部を受け取るように構成される、請求項1に記載の熱電併給プラント。
  7. 前記1次熱源(11)の公称熱出力容量(QL1)と、前記2次熱源(12)の公称熱出力容量(QL2)との比が、2:1から20:1の範囲内にある、請求項1に記載の熱電併給プラント。
  8. a)熱分配ネットワーク(15)に接続されている1つ又は複数の熱エネルギー消費体(16)のために、ある量の熱エネルギー(Q)を供給する工程と、
    a1)そのために、少なくとも1つの1次熱源(11)と、前記熱分配ネットワーク(15)との1つ又は複数の1次熱交換器(111)を介する熱的接触によって、前記少なくとも1つの1次熱源(11)からの前記熱エネルギーを、前記熱分配ネットワーク(15)内の熱流体(152)に伝達する工程と、
    b)1つ又は複数のエネルギー変換器(13)によって、少なくとも1つの2次熱源(12)から前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)に供給されるある量の熱エネルギー(Q)を、電気エネルギー(PEL)に変換する工程と、
    c)前記電気エネルギー(PEL)を前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)から内部電力分配ネットワーク(19)に伝達する工程と、
    d)余剰電気エネルギーが存在する場合、発生する前記電気エネルギー(PEL)の一部を、電力インターフェース装置(14)を介して、外部電力分配ネットワーク(17)に伝達する工程と、
    e)電気エネルギーが不足する場合、前記電力インターフェース装置(14)を介して、前記外部電力分配ネットワーク(17)からの電気エネルギーを、前記内部電力分配ネットワーク(19)に伝達する工程とを有することを特徴とする、熱電併給プラント(1)の運転方法。
  9. a2)前記少なくとも1つの2次熱源(12)と、前記熱分配ネットワーク(15)との熱的接触によって、前記2次熱源(12)から供給される前記量の熱エネルギー(Q)を前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)によって前記電力エネルギー(PEL)に変換することから得られる残留熱エネルギー(Q)の形式である、ある量の熱のエネルギーを、少なくとも1つの3次熱交換器(151)を介して供給する工程を更に有する、請求項8に記載の方法。
  10. f)前記少なくとも1つの1次熱源(11)の上流に、前記少なくとも1つの3次熱交換器(151)を介して、前記量の熱のエネルギーを供給する工程を更に有する、請求項9に記載の方法。
  11. g)空気プレヒータ(182)によって、前記少なくとも1つの1次熱源(11)用の吸気(181)に、前記1つ又は複数のエネルギー変換器(13)からの残留熱エネルギー(Q)の少なくとも一部である熱エネルギーを供給する工程を更に有する、請求項8に記載の方法。
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