JP2018084237A - 発電装置を組み込んだボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラシステムのエネルギー効率を向上させる。
【解決手段】ボイラ１と、第１の発電機１２を駆動し、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジン１１と、ボイラ１の排気から排熱を回収するエコノマイザ４と、送風機２及び第１の給水ポンプ１３とを含み、第１のスターリングエンジン１１では低温熱源として供給されたボイラ給水が予熱され、第１のスターリングエンジン１１の排熱はボイラ１に供給され、ボイラ１は第１のスターリングエンジン１１の排熱に加えてエコノマイザ４で回収されたボイラ１の排熱も蒸気発生の熱源に含み、第１のスターリングエンジン１１からの電力は送風機２及び第１の給水ポンプ１３に供給される。
【選択図】図２

Description

この発明は、スターリングエンジンにより駆動される発電機を組み込んだボイラシステムに関する。

従来、ボイラシステムには、燃焼用の空気やボイラ給水を供給するユーティリティとして送風機や給水ポンプなどの補機が備えられている。このような補機は、商用電源を用いて駆動されていた。あるいは、ボイラで発生した蒸気で蒸気タービンを駆動し、その動力で駆動することもあった。

図１は、補機を備える従来の典型的なボイラシステムの構成を示している。このシステムにおいて、蒸気を発生するボイラ１０１には、燃料が供給されるとともに、送風機１０２から燃焼のための空気が供給されている。また、給水ポンプ１１３からボイラ給水がエコノマイザ１０４による予熱を経て供給されている。ボイラ１０１の排気はエコノマイザ１０４を経て排気筒１０５から排出されている。エコノマイザ１０４が設置されない場合は、ボイラ給水は給水ポンプ１１３から直接ボイラ１０１に供給され、ボイラ１０１の排気は直接排気筒１０５から排出される。

一方、高温熱源と低温熱源との温度差から電力を発生するスターリングエンジン発電装置が提供されている。スターリングエンジン発電装置の高温熱源には、燃料をバーナで燃焼させた燃焼熱を利用するものと、種々の排熱を高温熱源として利用するものとがある。特許文献１には、ごみ焼却炉等の排熱をスターリングエンジンの高温熱源とする技術が開示されている。

スターリングエンジン発電装置においては、高温熱源と低温熱源の温度差が大きいほど発電効率も高く、発電効率に応じて熱を電気に変換することができる。電気に変換されなかった残りの熱は大気に捨てられるか、あるいは水を加熱して温水を作るのに利用される。スターリングエンジン発電装置の低温熱源には冷却水が使用される。冷却水は高温熱源からの熱で加熱されるが、その熱は捨てられるか、あるいは温水として利用される。

特開平８−９４０５０号公報

ボイラシステムの補機を商用電源から供給された電力を用いてモータ駆動する場合、ランニングコストとして電気代が必要となっていた。発電所の送電端効率は４０％未満であり、その価格は高いものとなっている。一方、補機を蒸気タービンの動力で駆動する場合、ボイラシステムから供給できる蒸気量が減少する。

一方、スターリングエンジン発電装置は、単体では燃料の燃焼熱を高温熱源とする場合でも発電効率は４０％未満であり、６０％以上の熱を捨てることになっていた。排熱利用のスターリングエンジン発電装置ではさらに効率が低下し、単体ではほとんどの熱を捨てることになっていた。また、高温熱源及び低温熱源の排熱を有効利用するために、低温熱源の冷却水を温水として利用したり、熱交換器（レキュペレータ）を設けて排ガスから温水を作り利用したりすることができるが、温水は蒸気と比べ利用先が限られていた。

この発明は、上述の課題を解決するために提供されるものであって、ボイラとの組み合わせによりスターリングエンジンの総合熱効率を向上させることにより燃料の量を削減し、ひいてはボイラシステムの補機に外部から供給する電力、発生する二酸化炭素の量を低減するような発電機を組み込んだボイラシステムを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、この発明に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラと、発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジンと、スターリングエンジンに冷却水を供給するとともに、ボイラ給水を供給するバッファタンクと、ボイラ及びスターリングエンジンの排気から排熱を回収するエコノマイザとを含み、スターリングエンジンはバッファタンクから供給された冷却水を低温熱源とし、スターリングエンジンの低温熱源に使用された冷却水はバッファタンクに戻され、ボイラはエコノマイザからボイラ給水が供給され、ボイラは燃焼熱とともにスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む。

この発明に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラと、発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジンと、スターリングエンジンに冷却水を供給するとともに、ボイラ給水を供給するバッファタンクと、ボイラの排気から排熱を回収するエコノマイザと、スターリングエンジンの排気から排熱を回収するレキュペレータとを含み、スターリングエンジンはバッファタンクから供給された冷却水を低温熱源とし、スターリングエンジンの低温熱源に使用された冷却水はバッファタンクに戻され、レキュペレータで加熱された冷却水はバッファタンクに戻され、ボイラはエコノマイザからボイラ給水が供給され、ボイラは燃焼熱とともにスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含んでもよい。

バッファタンクは内部の水位が所定範囲内にあるように水が供給されるように制御されてもよい。送風機及び給水ポンプをさらに含み、スターリングエンジンからの電力は送風機及び給水ポンプに供給されてもよい。

この発明に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラと、発電機を駆動し、ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とするスターリングエンジンと、ボイラの排気から排熱を回収する熱交換器と、熱交換器で排熱が回収されたボイラの排気からさらに排熱を回収するエコノマイザとを含み、スターリングエンジンには熱交換器で回収されたボイラの排熱が高温熱源として供給され、ボイラはエコノマイザからボイラ給水が供給され、ボイラは燃焼熱とともにスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含んでもよい。送風機及び給水ポンプの少なくとも一方をさらに含み、スターリングエンジンからの電力は少なくとも一方に供給されてもよい。

この発明に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラと、第１の発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジンと、第２の発電機を駆動し、ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とする第２のスターリングエンジンと、ボイラ及び第１のスターリングエンジンの排気から排熱を回収するエコノマイザとを含み、第１のスターリングエンジンは第２のスターリングエンジンから供給されたボイラ給水を低温熱源とし、エコノマイザは第１のスターリングエンジンから供給されたボイラ給水をボイラ及び第１のスターリングエンジンの排熱によって加熱し、ボイラはエコノマイザからボイラ給水が供給され、ボイラは燃焼熱とともに第１のスターリングエンジン及び第２のスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含んでもよい。ボイラの排気から熱を回収する熱交換器をさらに含み、第２のスターリングエンジンには熱交換器で回収されたボイラの排熱が高温熱源として供給されてもよい。

この出願に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラと、第１の発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジンと、第２の発電機を駆動し、ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とする第２のスターリングエンジンと、ボイラの排気から排熱を回収するエコノマイザと、第１のスターリングエンジンの排気から排熱を回収するレキュペレータとを含み、第１のスターリングエンジンは第２のスターリングエンジンから供給されたボイラ給水を低温熱源とし、レキュペレータは第１のスターリングエンジンから供給されたボイラ給水を第１のスターリングエンジンの排熱によって加熱し、エコノマイザはレキュペレータから供給されたボイラ給水をボイラの排熱によって加熱し、ボイラはエコノマイザからボイラ給水が供給され、ボイラは燃焼熱とともに第１のスターリングエンジン及び第２のスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含んでもよい。

送風機及び給水ポンプをさらに含み、第１のスターリングエンジン及び第２のスターリングエンジンからの電力は送風機及び給水ポンプに供給されてもよい。

この出願に係る発電機を組み込んだボイラシステムは、総合熱効率を向上させることにより燃料の量を削減し、ひいてはボイラシステムの補機に外部から供給する電力、発生する二酸化炭素の量を低減することができる。

従来のボイラシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの変形例を説明するブロック図である。 実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの他の変形例を説明するブロック図である。 実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 実施例４の発電機を組み込んだボイラシステムの概略的な構成を示すブロック図である。

以下、発電機を込みこんだボイラシステムの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例は、本実施の形態を示すために例示するものであり、本発明を限定するものではない。また、実施例中の各種数値、燃料の種類、補機の種類等は説明のために示すものであり、本発明はこれらに限らず実施することができる。

図２は、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの全体の装置を示すブロック図である。実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムは、燃料をバーナで燃焼させた燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジン発電装置とボイラを組合せたものである。

実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムには、ボイラ１が含まれ、このボイラ１には、燃料の都市ガス１３Ａが流路５１を介して５７．２ｍ^３Ｎ／ｈの流量で供給され、燃焼に用いられる空気が押し込み通風機の送風機２から流路５２を介して供給され、予熱されたボイラ給水が流路５３から供給されている。ボイラ１は、燃料と空気の燃焼熱を熱源とし、予熱されたボイラ給水を蒸発させて蒸気にしている。ボイラ１の換算蒸発量は１０００ｋｇ／ｈであり、圧力０．７ＭＰａｇで温度１７０℃の蒸気を流路５４を介して８９０ｋｇ／ｈの流量で供給している。

また、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムには、第１のスターリングエンジン１１が含まれ、この第１のスターリングエンジン１１には、燃料の都市ガス１３Ａが流路６１を介して０．８４ｍ^３Ｎ／ｈの流量で供給され、燃焼に用いられる空気が流路６２を介して供給され、５５℃のボイラ給水が第１の給水ポンプ１３から流路５９を介して８９０ｋｇ／ｈの流量で供給されている。

第１のスターリングエンジン１１は、第１の発電機１２を備え、燃料と空気の燃焼熱を高温熱源とし、ポンプ給水を冷却水として低温熱源に用い、第１の発電機１２を駆動している。これら第１のスターリングエンジン１１と第１の発電機１２とは、第１のスターリングエンジン発電装置１０を構成している。

第１の発電機１２は、３ｋＷの電力を線路６３を介してこの装置に備えられる送風機２と第１の給水ポンプ１３とに供給している。第１のスターリングエンジン１１は、温度３２０℃の排気を流路５６を介して１５ｋｇ／ｈの流量で排出し、温度６１℃に昇温したボイラ給水を流路５８を介して８９０ｋｇ／ｈの流量で排出している。排出されるボイラ給水は、第１のスターリングエンジン１１に供給された温度５５℃のボイラ給水が、第１のスターリングエンジン１１において温度が６℃上昇したものである。

さらに、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムには、エコノマイザ４が含まれ、このエコノマイザ４には、ボイラ給水が第１のスターリングエンジン１１から流路５８を介して供給され、流路５５を介したボイラ１の排気と流路５６を介した第１のスターリングエンジン１１の排気とを併せた排気が流路５７を介して１０４０ｋｇ／ｈの流量で供給されている。エコノマイザ４は、流路５７から供給された排気からの熱で流路５８から供給されたボイラ給水を加熱し、昇温したボイラ給水を流路５３を介してボイラ１に供給している。エコノマイザ４で熱を回収された排気は、流路６４を介して排出され、最終的に排気筒５を介して大気中に排出される。

この実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムにおいては、第１のスターリングエンジン１１と第１の発電機１２とを含む第１のスターリングエンジン発電装置１０で発電した電力を送風機２と第１の給水ポンプ１３とに供給している。この第１のスターリングエンジン発電装置１０から供給される電力が不足する場合には、外部から電力を供給して補充する。

この実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムは、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジン発電装置１０とボイラ１を組合せた構成を有し、低温のボイラ給水を第１のスターリングエンジン１１の低温熱源として使用することにより、低温熱源を確保し、かつ低温熱源からの排熱でボイラ給水を予熱することで、ボイラ単独のシステムと比べ、同じ蒸発量を得るのに必要なボイラの燃料消費量を削減している。

また、第１のスターリングエンジン１１の高温熱源の排熱をボイラ１またはエコノマイザ４の入口に導入することにより、ボイラ給水の蒸発あるいは予熱に活用することにより燃料消費量を削減している。さらに、第１のスターリングエンジン発電装置１０で得られた電力は、送風機２、第１の給水ポンプ１３等のボイラ１の補機のモータに供給することにより、ボイラ１の補機で消費する外部供給の電力量を削減している。

ここで、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムを運転したときの諸量を図１に示した従来例と比較して算出した結果を表１に示す。なお、表における「ＳＥ」は第１のスターリングエンジン発電装置１０を意味している。

この比較において、実施例１と従来例とにおいて対応するシステムの部材は同様の構成を有し、共通の条件で運転するものとする。例えば、図１の従来例において、換算蒸発量１０００ｋｇ／ｈを有するボイラ１０１には燃料の都市ガス１３Ａが５７．７ｍ^３Ｎ／ｈの流量で供給され、圧力０．７ＭＰａｇで温度１７０℃の蒸気が８９０ｋｇ／ｈの流量で発生し、１０４０ｋｇ／ｈの流量で排気が排出され、温度５５℃で流量８９０ｋｇ／ｈのボイラ給水が供給されるエコノマイザ１０４でこの排気が温度１２５℃まで冷却されるものとする。

表１に示された結果を参照すると、実施例１においてはボイラ１と第１のスターリングエンジン１１の合計の燃費が増加する一方、外部から補機（ユーティリティ）に供給する電力（買電量）は削減されている。また、燃料代と電気代を合計した運転費用とともに、燃料と外部から供給した電力に由来する二酸化炭素（ＣＯ_２）発生量が削減されている。

図３は、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの変形例を示す図である。この変形例は、図１に示した実施例１において、第１のスターリングエンジン発電装置１０の第１のスターリングエンジン１１の後段にレキュペレータ１４を設けたものである。第１のスターリングエンジン１１からの高温熱源の排気はレキュペレータ１４で排熱利用された後、流路５６を介し流路６４に排出される。第１のスターリングエンジン１１で予熱されたボイラ給水は流路６６を介してレキュペレータ１４に供給され、高温熱源の排気によりさらに予熱され、流路５８を介してエコノマイザ４に供給される。

この変形例においては、ボイラ１は、エコノマイザ４で回収されたボイラ１の排熱及びレキュペレータ１４で回収された第１のスターリングエンジン１１の排気の排熱を蒸気発生の熱源にさらに含んでいる。したがって、総合熱効率がさらに向上している。

なお、この変形例においては、エコノマイザ４を省略してもよい。この場合、第１のスターリングエンジン１１とレキュペレータ１４で予熱されたボイラ給水は、流路５８を介して直接ボイラ１に供給される。ボイラ１の排気は、直接排気筒５から排出される。この場合も、ボイラ１は、レキュペレータ１４で回収された第１のスターリングエンジン１１の排気の排熱を蒸気発生の熱源にさらに含むため、総合熱効率の向上が図られている。

図４は、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの他の変形例を示す図である。この変形例は、図１に示した実施例１の構成において、第１のスターリングエンジン１１から排出されるボイラ給水の流路５８から、第１の給水ポンプ１３から第１のスターリングエンジン１１にボイラ給水を供給する流路５９に向けてボイラ給水の一部を還流させる循環ポンプ１５を設けたものである。

この変形例は、ボイラ１の負荷低下時に、ボイラ１へのボイラ給水が減少し、第１のスターリングエンジン１１が必要とする給水量を下回る場合に、冷却水量を確保するために有益である。また、循環ポンプ１５に代えて、第１のスターリングエンジン１１から排出されるボイラ給水の流路５８から第１の給水ポンプ１３の吸い込み側に向かう流路６０を設けてボイラ給水の一部を還流させてもよい。なお、実施例１の発電機を組み込んだボイラからエコノマイザ４を省略してもよい。

図５は、実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムの全体の装置を示すブロック図である。実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムは、排熱を高温熱源とするスターリングエンジン発電装置とボイラを組合せたものである。

実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムには、ボイラ１が含まれ、このボイラ１には、燃料の都市ガス１３Ａが流路５１を介して５７．０ｍ^３Ｎ／ｈの流量で供給され、燃焼に用いられる空気が押し込み通風機の送風機２から流路５２を介して供給され、予熱されたボイラ給水が流路５８から８９０ｋｇ／ｈの流量で供給されている。ボイラ１は、燃料と空気の燃焼熱を熱源とし、予熱されたボイラ給水を蒸発させて蒸気にしている。ボイラ１の換算蒸発量は１０００ｋｇ／ｈであり、圧力０．７ＭＰａｇで温度１７０℃の蒸気を流路５４を介して８９０ｋｇ／ｈの流量で供給している。

また、実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムには、第２のスターリングエンジン２１が含まれ、この第２のスターリングエンジン２１には、温水が流路７１を介して供給され、温度５５℃のボイラ給水が第２の給水ポンプ２３から流路７５を介して供給されている。

第２のスターリングエンジン２１は、第２の発電機２２を備え、高温の熱媒体を高温熱源とし、ボイラ給水を冷却水として低温熱源に用い、第２の発電機２２を駆動している。これら第２のスターリングエンジン２１と第２の発電機２２とは、第２のスターリングエンジン発電装置２０を構成している。第２の発電機２２は、１ｋＷの電力を線路７６を介してこの装置に備えられる送風機２と第２の給水ポンプ２３とに供給している。

第２のスターリングエンジン２１は、流路７１から供給されて高温熱源に使用した熱媒体を流路７２に排出している。また、流路７５から供給されて低温熱源に使用したボイラ給水を流路７４に排出している。排出されるボイラ給水は、第２のスターリングエンジン２１に供給された温度５５℃のボイラ給水が、第２のスターリングエンジン２１で熱を吸収して温度６１℃まで昇温したものである。

さらに、実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムには、熱交換器３が含まれ、この熱交換器３には、第２のスターリングエンジン２１の高温熱源の熱媒体が流路７２を介して供給され、ボイラ１の温度２４０℃の排気が流路５５を介して供給されている。熱交換器３は、流路５５から供給された排気から流路７２から供給された熱媒体に熱を移動し、加熱された熱媒体を流路７１を介して第２のスターリングエンジン２１に供給し、温度２２０℃の排気を流路７３を介して１０３０ｋｇ／ｈの流量で排出している。

さらに、実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムには、エコノマイザ４が含まれ、このエコノマイザ４には、ボイラ給水が第２のスターリングエンジン２１から流路７４を介して供給され、熱交換器３の２２０℃の排気が流路７３を介して１０３０ｋｇ／ｈの流量で供給されている。エコノマイザ４は、流路７３から供給された排気から回収した熱で流路７４から供給されたボイラ給水を加熱し、昇温したボイラ給水を流路５８を介してボイラ１に供給している。エコノマイザ４で熱を回収された排気は、流路６４を介して排出され、最終的に排気筒５を介して大気中に排出される。

この実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムにおいては、第２のスターリングエンジン２１と第２の発電機２２とを含む第２のスターリングエンジン発電装置２０で発電した電力を送風機２と第２の給水ポンプ２３とに供給している。この第２のスターリングエンジン発電装置２０から供給される電力が不足する場合には、外部から電力を供給して補充する。

この実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムは、ボイラの排熱を高温熱源とする第２のスターリングエンジン発電装置２０とボイラ１を組合せ、低温のボイラ給水を低温熱源として使用することにより、低温熱源を確保し、かつ低温熱源の排熱でボイラ給水を予熱することで、ボイラ単独のシステムと比べ、同じ蒸発量を得るのに必要なボイラの燃料消費量を削減している。

また、ボイラ１からの排熱を第２のスターリングエンジン発電装置２０の温度差発電の高温熱源とすることで、従来捨てていた熱により発電することが可能となり、この電力を送風機２、第２の給水ポンプ２３等のボイラ１の補機のモータに供給することにより、ボイラ１の補機で消費する外部供給の電力量を削減している。

ここで、実施例２の発電機を組み込んだボイラを運転したときの諸量を図１に示した従来例と比較して算出した結果を表２に示す。この比較において、実施例２と従来例におけるシステムの構成、運転の条件等は共通であるものとする。なお、表における「ＳＥ」は第２のスターリングエンジン発電装置２０を意味している。

表２に示された結果を参照すると、実施例２においてはボイラ１、第２のスターリングエンジン２１の合計の燃費とともに、外部から補機（ユーティリティ）に供給する電力（買電量）も削減されている。また、燃料代と電気代を合計した運転費用とともに、燃料と外部の電力に由来する二酸化炭素（ＣＯ_２）発生量も削減されている。

なお、実施例２の発電機を組み込んだボイラシステムにおいても、実施例１の変形例と同様に、第２のスターリングエンジン２１の低温熱源から排出されるボイラ給水の流路７４から、第２の給水ポンプ２３から第２のスターリングエンジン２１にボイラ給水を供給する流路７５に向けて循環ポンプでボイラ給水の一部を還流させてもよい。また、循環ポンプに代えて、低温熱源から排出されるボイラ給水の流路７４から第２の給水ポンプ２３の吸い込み側に流路を設けてボイラ給水の一部を還流させてもよい。また、実施例２の発電機を組み込んだボイラからエコノマイザ４を省略してもよい。

図６は、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムの全体の装置を示すブロック図である。実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムは、燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジン発電装置と排熱を高温熱源とするスターリングエンジン発電装置の両方をボイラと組合せたものである。

実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムには、ボイラ１が含まれ、このボイラ１には、燃料の都市ガス１３Ａが流路５１を介して供給され、燃焼に用いられる空気が押し込み通風機の送風機２から流路５２を介して供給され、予熱されたボイラ給水が流路５３から供給されている。ボイラ１は、燃料と空気の燃焼熱を熱源とし、予熱されたボイラ給水を蒸発させて蒸気にしている。ボイラ１の換算蒸発量は１０００ｋｇ／ｈであり、圧力０．７ＭＰａｇで温度１７０℃の蒸気を流路５４を介して８９０ｋｇ／ｈの流量で供給している。

また、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムには、第１のスターリングエンジン１１が含まれ、この第１のスターリングエンジン１１には、燃料の都市ガス１３Ａが流路６１を介して供給され、燃焼に用いられる空気が流路６２を介して供給され、冷却水に用いられるボイラ給水が流路８１を介して供給されている。

第１のスターリングエンジン１１は、第１の発電機１２を備え、燃料と空気の燃焼熱を高温熱源とし、ボイラ給水を冷却水として低温熱源に用い、第１の発電機１２を駆動している。これら第１のスターリングエンジン１１と第１の発電機１２とは、第１のスターリングエンジン発電装置１０を構成している。第１の発電機１２は、３ｋＷの電力を線路６３を介して送風機２と第２の給水ポンプ２３とに供給している。第１のスターリングエンジン１１は、排気を流路５６を介して排出し、昇温されたボイラ給水を流路５８を介して排出している。

さらに、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムには、第２のスターリングエンジン２１が含まれ、この第２のスターリングエンジン２１には、高温の熱媒体が流路７１を介して供給され、ボイラ給水が第２の給水ポンプ２３から流路７５を介して供給されている。

第２のスターリングエンジン２１は、第２の発電機２２を備え、高温の熱媒体を高温熱源とし、ボイラ給水を冷却水として低温熱源に用い、第２の発電機２２を駆動している。これら第２のスターリングエンジン２１と第２の発電機２２とは、第２のスターリングエンジン発電装置２０を構成している。第２の発電機２２は、１ｋＷの電力を線路７６を介してこの装置に備えられる送風機２と第２の給水ポンプ２３とに供給している。

第２のスターリングエンジン２１は、流路７１から供給されて高温熱源に使用した熱媒体を流路７２に排出している。また、流路７５から供給されて低温熱源に使用したボイラ給水を流路８１に排出している。

さらに、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムには、熱交換器３が含まれ、この熱交換器３には、第２のスターリングエンジン２１の高温熱源の熱媒体が流路７２を介して供給され、流路５５を介したボイラ１の排気と流路５６を介した第１のスターリングエンジン１１の排気とを併せた排気が流路５７を介して供給されている。熱交換器３は、流路５７から供給された排気から流路７２から供給された熱媒体に熱を移動し、加熱された熱媒体を流路７１を介して第２のスターリングエンジン２１に供給し、排気を流路７３を介して排出している。

さらに、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムには、エコノマイザ４が含まれ、このエコノマイザ４には、第１のスターリングエンジン１１から排出されたボイラ給水が流路５８を介して供給され、熱交換器３の排気が流路７３を介して供給されている。エコノマイザ４は、流路７３から供給された排気から回収した熱で流路５８から供給されたボイラ給水を加熱し、昇温したボイラ給水を流路５３を介してボイラ１に供給している。エコノマイザ４で熱を回収された排気は、流路６４を介して排出され、最終的に排気筒５を介して大気中に排出される。なお、実施例３においては、エコノマイザ４に限らず、レキュペレータを使用することもできる。

この実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムにおいては、第１のスターリングエンジン発電装置１０と第２のスターリングエンジン発電装置２０とで発電した電力を送風機２と第２の給水ポンプ２３とに供給している。第１のスターリングエンジン発電装置１０と第２のスターリングエンジン発電装置２０とから供給される電力が不足する場合には、外部から電力を供給して補充する。

この実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムは、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジン発電装置１０と排熱を高温熱源とする第２のスターリングエンジン発電装置２０の両方をボイラ１と組合せ、低温のボイラ給水を第２のスターリングエンジン発電装置２０と第１のスターリングエンジン発電装置１０との低温熱源として使用することにより、低温熱源を確保し、かつ低温熱源の排熱でボイラ給水を予熱することで、ボイラ単独のシステムと比べ、同じ蒸発量を得るのに必要なボイラの燃料消費量を削減している。

また、ボイラ１からの排熱を第２のスターリングエンジン発電装置２０の温度差発電の高温熱源とし、この電力を送風機２、第２の給水ポンプ２３等のボイラ１システムの補機のモータに供給することにより、ボイラシステムの補機で消費する電力量を削減している。

ここで、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムを運転したときの諸量を図１に示した従来例と比較して算出した結果を表３に示す。この比較において、実施例３と従来例におけるシステムの構成、運転の条件等は共通であるものとする。なお、表における「ＳＥ」は第１のスターリングエンジン発電装置１０と第２のスターリングエンジン発電装置２０とを意味している。

表３に示された結果を参照すると、実施例３においてはボイラ１、第１のスターリングエンジン１１、第２のスターリングエンジン２１の合計の燃費とともに、外部から補機（ユーティリティ）に供給する電力（買電量）も削減されている。また、燃料代と電気代を合計した運転費用とともに、燃料と外部の電力に由来する二酸化炭素（ＣＯ_２）発生量も削減されている。

実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムにおいては、エコノマイザ４を省略することも可能である。エコノマイザ４を省略した場合、第１のスターリングエンジンの低温熱源から排出されるボイラ給水は流路５８からエコノマイザ４を通ることなく流路５３を経てボイラ１に供給される。また、熱交換器３からのボイラ１の排気はエコノマイザ４を通ることなく流路６４を経て排気筒５に送られる。また、ボイラ給水は、第１のスターリングエンジン１１、第２のスターリングエンジンの順に通水してもよい。

なお、実施例３の発電機を組み込んだボイラシステムにおいても、実施例１の変形例と同様に第１のスターリングエンジン発電装置１０にレキュペレータ１４を設け、高温熱源の排気から熱回収しボイラ給水を加熱してもよい。

また、実施例１の他の変形例と同様に、第１のスターリングエンジン１１から排出されるボイラ給水の流路５８から、第２のスターリングエンジン２１から第１のスターリングエンジン１１にボイラ給水を供給する流路８１に向けてボイラ給水の一部を還流させる循環ポンプを設けてもよい。

また、第２のスターリングエンジン２１の低温熱源から排出されるボイラ給水の流路８１から、第２の給水ポンプ２３から第２のスターリングエンジン２１にボイラ給水を供給する流路７５に向けて循環ポンプでボイラ給水の一部を還流させてもよい。さらに、この循環ポンプに換えて、第２のスターリングエンジン２１から排出されるボイラ給水の流路８１から第２の給水ポンプ２３の吸い込み側に向かう流路を設けてボイラ給水の一部を還流させてもよい。

図７は、実施例４の発電機を組み込んだボイラシステムの全体の装置を示すブロック図である。実施例４の発電機を組み込んだボイラシステムは、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムの構成において、第１のスターリングエンジン発電装置１０に冷却水を連続的に供給することができるようにバッファタンク９１をさらに設けたものである。他の構成は、実施例１の発電機を組み込んだボイラシステムと同様である。

バッファタンク９１は、所定の容量を有する容器であり、内部に所定量までの水１１１を貯蔵することができるように構成されている。このバッファタンク９１には、内部の水１１１の水位を検出することができる水位計９７が設けられている。図７においては、電極棒型の水位計９７が示されているが、これに限らず他の種類の水位計を使用することができる。

バッファタンク９１には、図示しない水供給源から流路９２を介して水が供給されている。流路９２には弁が設けられ、水位計９７によって検出された水位に基づいて弁の開／閉を切り替え、バッファタンク９１内の水１１１の水位が所定範囲内になるように制御している。

バッファタンク９１からは、第１の給水ポンプ１３によって、貯蔵された水が流路５９を介して第１のスターリングエンジン１１に冷却水として供給されている。この冷却水は、第１のスターリングエンジン１１の低温熱源に使用された後で排出され、流路９３を介してバッファタンク９１に戻されている。また、バッファタンク９１からは、第３の給水ポンプ９５によって、貯蔵された水が流路５８を介してエコノマイザ４を通じてボイラ給水に供給されている。

この実施例４においては、バッファタンク９１と第１のスターリングエンジン１１との間の流路５９、９３を介する閉じた循環ラインにより冷却水が連続して循環されている。一方、エコノマイザ４に供給されるボイラ給水は、循環ラインとは別の流路５８によってバッファタンク９１から送られている。

例えばボイラ１に小型貫流ボイラを使用した場合、ボイラ１内の水位によりボイラ給水を断続的に行うため、第３の給水ポンプ９５が運転・停止を繰り返すことがある。このようなときにも、第１のスターリングエンジン１１は、循環ラインを通じて冷却水を連続して供給することによって、連続的に運転することができる。したがって、ポンプ給水が断続的に行われる場合にも、第１のスターリングエンジン１１の発電効率や内部温度などの維持が保証される。

なお、ボイラ１が停止してボイラ給水が止まった状態が続くと、循環ラインを冷却水が循環を続けてバッファタンク９１に貯蔵された水１１１の温度が次第に上昇することがあり得る。この場合、第１のスターリングエンジン１１の負荷を低減し、さらに、バッファタンク９１に貯蔵された水が所定の温度まで上昇すると第１のスターリングエンジン１１を停止することができる。

なお、本実施の形態においては、補機として送風機２と第２の給水ポンプ２３とを例示したが、本発明はこれらに限られず所望の補機に適用することができる。また、本実施の形態で例示した第１のスターリングエンジン１１と第２のスターリングエンジン２１とに換えて熱音響発電装置を利用することもできる。さらに、本実施の形態では、燃料に都市ガス１３Ａを使用したが、本発明はこれに限られず燃焼熱を得られるものであればよく、例えばごみ、石油などであってもよい。

１ ボイラ
２ 送風機
３ 熱交換器
４ エコノマイザ
５ 排気筒
１０ 第１のスターリングエンジン発電装置
１１ 第１のスターリングエンジン
１２ 第１の発電機
１３ 第１の給水ポンプ
１４ レキュペレータ
２０ 第２のスターリングエンジン発電装置
２１ 第２のスターリングエンジン
２２ 第２の発電機
２３ 第２の給水ポンプ
９１ バッファタンク

Claims (10)

1. ボイラと、
   発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジンと、
   前記スターリングエンジンに冷却水を供給するとともに、ボイラ給水を供給するバッファタンクと、
   前記ボイラ及び前記スターリングエンジンの排気から排熱を回収するエコノマイザとを含み、
   前記スターリングエンジンは前記バッファタンクから供給された冷却水を低温熱源とし、前記スターリングエンジンの低温熱源に使用された冷却水は前記バッファタンクに戻され、前記ボイラは前記エコノマイザから前記ボイラ給水が供給され、前記ボイラは燃焼熱とともに前記スターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む、発電機を組み込んだボイラシステム。
2. ボイラと、
   発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とするスターリングエンジンと、
   前記スターリングエンジンに冷却水を供給するとともに、ボイラ給水を供給するバッファタンクと、
   前記ボイラの排気から排熱を回収するエコノマイザと、
   前記スターリングエンジンの排気から排熱を回収するレキュペレータとを含み、
   前記スターリングエンジンは前記バッファタンクから供給された冷却水を低温熱源とし、前記スターリングエンジンの低温熱源に使用された冷却水は前記バッファタンクに戻され、前記レキュペレータで加熱された冷却水は前記バッファタンクに戻され、前記ボイラは前記エコノマイザから前記ボイラ給水が供給され、前記ボイラは燃焼熱とともに前記スターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む、発電機を組み込んだボイラシステム。
3. 前記バッファタンクは内部の水位が所定範囲内にあるように水が供給されるように制御された、請求項１又は２に記載の発電機を組み込んだボイラシステム。
4. 送風機及び給水ポンプをさらに含み、前記スターリングエンジンからの電力は前記送風機及び給水ポンプに供給される請求項１又は２に記載の発電機を組み込んだボイラシステム。
5. ボイラと、
   発電機を駆動し、前記ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とするスターリングエンジンと、
   前記ボイラの排気から排熱を回収する熱交換器と、
   前記熱交換器で排熱が回収された前記ボイラの排気からさらに排熱を回収するエコノマイザとを含み、
   前記スターリングエンジンには前記熱交換器で回収された前記ボイラの排熱が高温熱源として供給され、前記ボイラは前記エコノマイザから前記ボイラ給水が供給され、前記ボイラは燃焼熱とともに前記スターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む発電機を組み込んだボイラシステム。
6. 送風機及び給水ポンプの少なくとも一方をさらに含み、前記スターリングエンジンからの電力は前記少なくとも一方に供給される請求項５に記載の発電機を組み込んだボイラシステム。
7. ボイラと、
   第１の発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジンと、
   第２の発電機を駆動し、前記ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とする第２のスターリングエンジンと、
   前記ボイラ及び前記第１のスターリングエンジンの排気から排熱を回収するエコノマイザとを含み、
   前記第１のスターリングエンジンは前記第２のスターリングエンジンから供給された前記ボイラ給水を低温熱源とし、前記エコノマイザは前記第１のスターリングエンジンから供給された前記ボイラ給水を前記ボイラ及び前記第１のスターリングエンジンの排熱によって加熱し、前記ボイラは前記エコノマイザから前記ボイラ給水が供給され、前記ボイラは燃焼熱とともに前記第１のスターリングエンジン及び前記第２のスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む発電機を組み込んだボイラシステム。
8. 前記ボイラの排気から熱を回収する熱交換器をさらに含み、前記第２のスターリングエンジンには前記熱交換器で回収された前記ボイラの排熱が高温熱源として供給される請求項７に記載の発電機を組み込んだボイラシステム。
9. ボイラと、
   第１の発電機を駆動し、燃焼熱を高温熱源とする第１のスターリングエンジンと、
   第２の発電機を駆動し、前記ボイラの排熱を高温熱源とし、ボイラ給水を低温熱源とする第２のスターリングエンジンと、
   前記ボイラの排気から排熱を回収するエコノマイザと、
   前記第１のスターリングエンジンの排気から排熱を回収するレキュペレータとを含み、
   前記第１のスターリングエンジンは前記第２のスターリングエンジンから供給された前記ボイラ給水を低温熱源とし、前記レキュペレータは前記第１のスターリングエンジンから供給された前記ボイラ給水を前記第１のスターリングエンジンの排熱によって加熱し、
   前記エコノマイザは前記レキュペレータから供給された前記ボイラ給水を前記ボイラの排熱によって加熱し、前記ボイラは前記エコノマイザから前記ボイラ給水が供給され、前記ボイラは燃焼熱とともに前記第１のスターリングエンジン及び前記第２のスターリングエンジンの排熱も蒸気発生の熱源に含む発電機を組み込んだボイラシステム。
10. 送風機及び給水ポンプをさらに含み、前記第１のスターリングエンジン及び前記第２のスターリングエンジンからの電力は前記送風機及び給水ポンプに供給される請求項７から９のいずれか一項に記載の発電機を組み込んだボイラシステム。

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