JP2019011723A - 熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱利用効率を向上させることができる熱電併給システムを提供する。【解決手段】熱電併給システム１は、１次蒸気と作動媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸発器を含み、蒸発器で蒸発した作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置３と、バイナリー発電装置３の蒸発器における熱交換を経て蒸発器から排出され１次蒸気よりも低圧になった低圧蒸気を昇圧して２次蒸気を発生させるスチームコンプレッサ５（昇圧手段）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電併給システムに関する。

従来、特許文献１に記載されるように、ボイラで発生した高圧蒸気で発電を行う蒸気発電装置と、蒸気発電装置から排出される中圧蒸気を利用する需要設備とを備えるプラントが知られている。蒸気発電装置は、高圧蒸気により回転力を生じると共に中圧蒸気を吐出する蒸気膨張機と、その回転力により発電を行う発電機と、その回転力により駆動される蒸気圧縮機とを備える。このプラントでは、需要設備のドレンを低圧蒸気と温水とに分離し、その減圧された低圧蒸気を蒸気圧縮機に供給して圧縮し、蒸気膨張機で再利用している。一方、需要設備で消費される蒸気に対して、蒸気膨張機から吐出される中圧蒸気だけでは不足分が生じる。この不足分は、蒸気膨張機をバイパスさせた高圧蒸気が減圧弁で減圧されて需要設備に供給されることで補われる。

特開２０１０−１１６８２３号公報

上記のプラントでは、発電と熱の両面で蒸気の熱を利用しており、いわゆる熱電利用を行っている。しかし、蒸気を循環させたりバイパスさせたりしており、システムが複雑になっている。また、熱利用効率の観点でも改善の余地がある。上記のプラントの他にも、製材所において、製材端材を燃料としてバイオマスボイラで熱利用される設備が知られている。バイオマスボイラで生じた熱によって木材乾燥が行われている。しかしこの設備では、熱電利用は困難である。

本発明は、熱利用効率を向上させることができる熱電併給システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、１次蒸気を熱源として発電を行うと共に熱利用のための２次蒸気を発生させる熱電併給システムであって、１次蒸気と作動媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸発器を含み、蒸発器で蒸発した作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置と、バイナリー発電装置の蒸発器における熱交換を経て蒸発器から排出され１次蒸気よりも低圧になった低圧蒸気を昇圧して２次蒸気を発生させる昇圧手段と、を備える。

この熱電併給システムによれば、１次蒸気を熱源として、バイナリー発電装置において発電が行われる。バイナリー発電装置の蒸発器から排出された低圧蒸気は、昇圧手段によって回収・昇圧されて、２次蒸気となる。２次蒸気は、たとえば木材乾燥等のために熱利用される。このように、バイナリー発電装置の蒸発器を通過した後の低圧蒸気を昇圧して更に２次利用することで、熱利用効率を向上させることができる。従来に比して比較的単純な構成で、熱電併給を行うことができる。

いくつかの態様において、熱電併給システムは、１次蒸気が通ると共に蒸発器に接続される蒸気ラインと、蒸気ラインから分岐して１次蒸気を昇圧手段に導入する熱利用向け蒸気ラインと、を更に備える。この場合、１次蒸気を発電利用すると共に、昇圧手段における昇圧のための駆動蒸気として利用することができる。よって、昇圧のために別途の動力源を用意する必要がなく、トータルのエネルギー効率に優れる。

いくつかの態様において、熱電併給システムは、蒸発器に接続されると共に蒸発器における熱交換を経て蒸発器から排出された温水が通る温水排出ラインと、温水排出ラインに接続されて温水から低圧蒸気を分離する気水分離手段と、気水分離手段に接続されて低圧蒸気を昇圧手段に導入する低圧蒸気ラインと、を更に備える。この場合、蒸発器から排出された温水を気水分離して低圧蒸気を得るので、低圧蒸気を取り出すための動力源は不要であり、トータルのエネルギー効率に優れる。

本発明のいくつかの態様によれば、バイナリー発電装置の蒸発器を通過した後の低圧蒸気を昇圧して更に２次利用することで、熱利用効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る熱電併給システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る熱電併給システムの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、熱電併給システム１は、バイオマスボイラ２と、バイナリー発電装置３とを備える。熱電併給システム１は、たとえば製材所等に設置されて、製材端材を燃料としてバイオマスボイラ２で発生した１次蒸気を熱電利用するためのシステムである。

バイオマスボイラ２は、１次蒸気を発生させる蒸気発生手段である。バイオマスボイラ２は、たとえば製材端材等のバイオマスを燃料として、蒸気を発生させる。バイオマスボイラ２には、蒸気ラインＬ１が接続される。蒸気ラインＬ１には、バイオマスボイラ２で発生した蒸気が通る。バイオマスボイラ２で用いられる燃料は、他のバイオマスであってもよい。したがって、熱電併給システム１は、製材所以外の場所に設置されてもよい。バイオマスボイラ２が省略されて、他の蒸気発生手段が設けられてもよい。なお、「ライン」は、内部を流体が流れる配管を意味する。

バイナリー発電装置３は、バイオマスボイラ２で発生した１次蒸気を熱源として用いて発電を行う装置である。バイナリー発電装置３は、たとえば１００ｋＷ程度の出力で発電可能な発電装置である。バイナリー発電装置３では、たとえばオーガニックランキンサイクル（Organic Rankine Cycle；ＯＲＣ）が採用されている。バイナリー発電装置３は、蒸発器および凝縮器（いずれも図示せず）を含む。バイナリー発電装置３は、蒸発器とタービンと凝縮器とを通る作動媒体の循環流路を含む。蒸発器において、熱媒体と作動媒体との熱交換が行われる。バイナリー発電装置３は、蒸発器において加熱され蒸発した作動媒体により回転させられるタービンと、タービンに連結された発電機とを含んでおり、タービンの回転により発電を行う。バイナリー発電装置３には、冷却塔等（図示せず）が接続されている。冷却塔で冷却された冷却水は、上記の凝縮器において作動媒体を凝縮させる。バイナリー発電装置３に用いられる作動媒体は、たとえば不活性ガスである。

蒸気ラインＬ１の下流側の部分である発電向け蒸気ラインＬ２は、バイナリー発電装置３の蒸発器の熱源入口に接続される。熱電併給システム１は、蒸気ラインＬ１から分岐する熱利用向け蒸気ラインＬ３を備える。蒸気ラインＬ１を流れる１次蒸気は、発電向け蒸気ラインＬ２と熱利用向け蒸気ラインＬ３とに分配される。発電向け蒸気ラインＬ２には、バルブ１１が設けられ、熱利用向け蒸気ラインＬ３には、バルブ１２が設けられる。これらのバルブ１１およびバルブ１２は、たとえばコントローラによって開閉制御される電動弁等の自動弁であってもよい。発電向け蒸気ラインＬ２を流れる１次蒸気と、熱利用向け蒸気ラインＬ３を流れる１次蒸気の比率は、バルブ１１およびバルブ１２の開閉によって適宜に設定され得る。バルブ１１およびバルブ１２は、１次蒸気の分配流量調整手段である。

熱電併給システム１は、バイナリー発電装置３の蒸発器の熱水排出口３ｃに接続された熱水排出ライン（温水排出ライン）Ｌ４を備える。この熱水排出ラインＬ４には、蒸発器における熱交換を経て蒸発器から排出された熱水（温水）が通る。この熱水は、ドレンとも呼ばれる。

熱電併給システム１は、バイナリー発電装置３の蒸発器を通過した後の熱水から低圧蒸気を分離するフラッシュタンク（気水分離手段）４を備える。フラッシュタンク４は、低圧蒸気の回収手段である。フラッシュタンク４としては、公知のものが用いられ得る。フラッシュタンク４は、熱水排出ラインＬ４が接続される熱水流入口４ａと、分離された低圧蒸気を排出する低圧蒸気排出口４ｃとを含む。低圧蒸気排出口４ｃから排出される低圧蒸気は、１次蒸気よりも低圧になっている。低圧蒸気排出口４ｃには、低圧蒸気ラインＬ５が接続される。なお、フラッシュタンク４以外の気水分離手段が熱電併給システム１に適用されてもよい。

熱電併給システム１は、低圧蒸気を導入し、駆動蒸気によって昇圧して中圧蒸気（２次蒸気）を発生させるスチームコンプレッサ（昇圧手段）５を更に備える。スチームコンプレッサ５としては、公知のものが用いられ得る。スチームコンプレッサ５は、熱利用向け蒸気ラインＬ３が接続される駆動蒸気吸入口５ａと、低圧蒸気ラインＬ５が接続される低圧蒸気吸入口５ｂを含む。スチームコンプレッサ５は、熱利用向け蒸気ラインＬ３および駆動蒸気吸入口５ａを通じて１次蒸気を導入すると共に、低圧蒸気ラインＬ５および低圧蒸気吸入口５ｂを通じて低圧蒸気を吸入する。スチームコンプレッサ５は、１次蒸気を駆動蒸気として、低圧蒸気を昇圧する。昇圧された中圧蒸気は、中圧蒸気吐出口５ｃから排出され、中圧蒸気ラインＬ６を通じて２次利用される。なお、スチームコンプレッサ５以外の昇圧手段が熱電併給システム１に適用されてもよい。

熱電併給システム１を用いた熱の２次利用の用途は、木材乾燥に限られず、チップ乾燥、燃料加熱、蒸気プロセス（煮窯）、または殺菌などであってもよい。

熱電併給システム１を用いた熱電利用の一例について説明する。まず、バイオマスボイラ２では、たとえば圧力が０．７ＭＰａＧであり、温度が１７０℃の１次蒸気が発生する。バイナリー発電装置３の熱水排出口３ｃから排出された熱水の圧力は、たとえば飽和ドレンとして０．５ＭＰａＧであり、その温度は１３０℃である。さらに、フラッシュタンク４において分離された低圧蒸気の圧力は、たとえば０．０２ＭＰａＧである。

フラッシュタンク４から排出されるフラッシュ蒸気は、下記式（１）に基づいて算定され得る。
Ｆｆ＝Ｆｃ×（Ｅｗ−Ｅｓ）／ｒ・・・（１）
ここで、
Ｆｆ：フラッシュ蒸気量（ｋｇ／ｈ）
Ｆｃ：ドレン発生量（ｋｇ／ｈ）
Ｅｗ：ドレン全熱（ｋＪ／ｋｇ）
Ｅｓ：蒸気全熱（ｋＪ／ｋｇ）
ｒ ：フラッシュ蒸気潜熱（ｋＪ／ｋｇ）である。
フラッシュタンク４におけるフラッシュ率（フラッシュ蒸気量／ドレン発生量）は、たとえば１１％程度である。

スチームコンプレッサ５で利用される１次蒸気は、以下の考え方に基づいて決められ得る。すなわち、ボイラ圧力でＯＲＣの出口ドレンのフラッシュ分を、熱源として利用する。スチームコンプレッサ５における吸入比（駆動蒸気量／吸入蒸気量（フラッシュ蒸気量））は、２．０以上かつ２．２未満であってよい。スチームコンプレッサ５の中圧蒸気吐出口５ｃから吐出される中圧蒸気（２次蒸気）の圧力は、たとえば０．１ＭＰａＧであり、その温度は、たとえば１２０℃である。

バルブ１１およびバルブ１２では、スチームコンプレッサ５における上記の吸入比が成り立つように、１次蒸気が分配されてもよい。

本実施形態の熱電併給システム１によれば、１次蒸気を熱源として、バイナリー発電装置３において発電が行われる。バイナリー発電装置３の蒸発器から排出された低圧蒸気は、スチームコンプレッサ５によって回収・昇圧されて、中圧蒸気すなわち２次蒸気となる。２次蒸気は、たとえば木材乾燥等のために熱利用される。このように、バイナリー発電装置３の蒸発器を通過した後の低圧蒸気を昇圧して更に２次利用することで、熱利用効率を向上させることができる。従来に比して比較的単純な構成で、熱電併給を行うことができる。スチームコンプレッサ５では、１次蒸気以外の駆動源は必要ないので、エネルギー効率に優れる。

１次蒸気を蒸気ラインＬ１から分岐させているので、１次蒸気を発電利用すると共に、スチームコンプレッサ５における昇圧のための駆動蒸気として利用することができる。よって、昇圧のために別途の動力源を用意する必要がなく、トータルのエネルギー効率に優れている。

フラッシュタンク４を用いて、蒸発器から排出された熱水を気水分離して低圧蒸気を得るので、低圧蒸気を取り出すための動力源は不要であり、トータルのエネルギー効率に優れている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、昇圧手段には、蒸気ラインＬ１以外から１次蒸気が導入されてもよい。また、１次蒸気以外の駆動源を用いた昇圧手段が採用されてもよい。バイナリー発電装置３において発電された電力の用途は、特に限定されない。

１ 熱電併給システム
２ バイオマスボイラ
３ バイナリー発電装置
４ フラッシュタンク（気水分離手段）
５ スチームコンプレッサ（昇圧手段）
Ｌ１ 蒸気ライン
Ｌ２ 発電向け蒸気ライン
Ｌ３ 熱利用向け蒸気ライン
Ｌ４ 熱水排出ライン（温水排出ライン）
Ｌ５ 低圧蒸気ライン
Ｌ６ 中圧蒸気ライン

Claims (3)

1. １次蒸気を熱源として発電を行うと共に熱利用のための２次蒸気を発生させる熱電併給システムであって、
   前記１次蒸気と作動媒体との熱交換により前記作動媒体を蒸発させる蒸発器を含み、前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体により発電を行うバイナリー発電装置と、
   前記バイナリー発電装置の前記蒸発器における熱交換を経て前記蒸発器から排出され前記１次蒸気よりも低圧になった低圧蒸気を昇圧して前記２次蒸気を発生させる昇圧手段と、を備える熱電併給システム。
2. 前記１次蒸気が通ると共に前記蒸発器に接続される蒸気ラインと、
   前記蒸気ラインから分岐して前記１次蒸気を前記昇圧手段に導入する熱利用向け蒸気ラインと、を更に備える、請求項１に記載の熱電併給システム。
3. 前記蒸発器に接続されると共に前記蒸発器における熱交換を経て前記蒸発器から排出された温水が通る温水排出ラインと、
   前記温水排出ラインに接続されて前記温水から前記低圧蒸気を分離する気水分離手段と、
   前記気水分離手段に接続されて前記低圧蒸気を前記昇圧手段に導入する低圧蒸気ラインと、を更に備える、請求項１または２に記載の熱電併給システム。

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