JP2019078476A - 熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で熱利用と発電とを行う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、バイオマスを燃焼させる燃焼炉２と、燃焼炉２に隣接して設けられ、燃焼炉２で発生した熱を用いて蒸気または温水を発生させるボイラー部４と、ボイラー部４に隣接して設けられ、ボイラー部４で発生した蒸気または温水と作動媒体との熱交換により蒸気を発生させてその蒸気により発電を行うバイナリー発電装置３と、を備える。ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には、蒸気または温水が通る発電利用配管１７が設けられているが、別の熱交換器は設けられていない。【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、ランキンサイクル熱機関によって発電を行う発電部を備えた熱電併給システムが知られている。発電部には、低沸点熱媒体が封入されている。低沸点熱媒体は、第１蒸発器および第２蒸発器において、熱源部の水蒸気と熱交換して蒸発し、その膨張力によって膨張機が駆動され、発電機によって発電が行われる。第１蒸発器および第２蒸発器において熱交換を終えた水蒸気は、第２復水タンクに導入され、第１復水タンクに還流される。一方、熱源部は、太陽熱ボイラとバイオマスボイラとを備える。第１復水タンクに貯留された循環水は、給水ポンプによって、太陽熱ボイラとバイオマスボイラに供給される。

特開２０１４−４７６３８号公報

バイオマスボイラは、（特に小規模施設の場合）主に熱利用のために使用されることが多かったが、上記したように、バイオマスボイラが発電用の熱を供給するシステムも知られている。しかし、上記した従来のシステムでは、バイオマスボイラと発電部との間に複数の熱交換器や複数の配管が介在しており、システムが複雑になっている。このように、バイオマスボイラに対して発電手段を設けるには、発電用の熱を供給するための配管を別途敷設する必要があった。また、発電機を別途導入する必要もあった。

本発明は、簡易な構成で熱利用と発電とを行う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。

本発明の一態様に係る熱電併給システムは、バイオマスを燃焼させる燃焼装置と、燃焼装置に隣接して設けられ、燃焼装置で発生した熱を用いて第１蒸気または温水を含む加熱された熱媒体を発生させる熱供給装置と、燃焼装置または熱供給装置に隣接して設けられ、熱供給装置で発生した熱媒体と発電用媒体との熱交換により発電用媒体を蒸発させて第２蒸気を発生させ、第２蒸気により発電を行う発電装置と、を備え、熱供給装置と発電装置との間には、熱媒体と発電用媒体との熱交換を行うための、熱媒体または発電用媒体が通る発電利用配管が設けられており、且つ、発電用媒体を蒸発させるための蒸発器とは別の熱交換器は設けられていない。

この熱電併給システムによれば、熱供給装置において、第１蒸気または温水を含む熱媒体が発生する。この熱媒体と発電装置の発電用媒体との熱交換により、発電用媒体が蒸発し、発電装置における発電が行われる。ここで、熱供給装置と発電装置との間には発電利用配管が設けられているが、発電用媒体を蒸発させるための蒸発器とは別の熱交換器は、設けられていない。すなわち、熱供給装置と発電装置との間には、配管や弁類などといった流体を通す部品のみが設けられており、熱交換器は設けられていない。このように、互いに隣接し一体に構成された燃焼装置、熱供給装置、および発電装置では、別途の熱交換器は不要になっている。よって、この熱電併給システムによれば、簡易な構成で熱利用と発電とを行うことができる。また、低品位バイオマス等を用いた熱量の不安定な燃焼エネルギーであっても、熱伝達が良好であり発電を好適に行うことができる。

いくつかの態様において、熱電併給システムは、熱供給装置で発生した熱媒体が通る熱利用配管を更に備え、発電装置は、発電利用配管が接続されると共に、発電用媒体と発電利用配管を通る熱媒体との熱交換により発電用媒体を蒸発させる蒸発器を含み、熱供給装置と発電装置との間には、熱供給装置で発生した熱媒体を熱利用配管と発電利用配管とに分配する流量調整手段が設けられている。この構成によれば、流量調整手段によって、熱供給装置で発生した熱媒体が、熱利用向け及び発電利用向けに適宜分配される。また、発電装置の蒸発器に、発電利用配管が直接接続され、熱媒体が蒸発器に導入される。

いくつかの態様において、熱電併給システムは、熱供給装置で発生した熱媒体が通る熱利用配管を更に備え、発電用媒体が通る発電利用配管が、発電装置の内部から外部にわたって敷設されており、燃焼装置または熱供給装置には、発電装置の外部にある発電利用配管の一部が設けられて熱供給装置で発生した熱媒体により発電用媒体を加熱し蒸発させる、蒸発器としての加熱ユニットが具備される。この構成によれば、発電用媒体は、加熱ユニットにおいて、熱媒体によって直接加熱される。これにより、発電装置の内部に蒸発器を備える必要がなくなり、更に簡易な構成で発電を行うことができる。

いくつかの態様において、熱利用配管を通じての熱利用に係る蒸気もしくは温水の量は、当該熱利用に係る蒸気もしくは温水の量と発電利用配管を通じての発電利用に係る蒸気もしくは温水の量とを合計した合計量の５０％以上を占める。この場合、熱供給装置は労働安全衛生法ボイラー（以下、労基ボイラー）の基準を満たすことができる。

本発明のいくつかの態様によれば、簡易な構成で熱利用と発電とを行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電併給システムの概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電併給システムの概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る熱電併給システムの概略構成を示す図である。

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、第１実施形態に係る熱電併給システムの概略構成を示す図である。図１に示されるように、熱電併給システム１は、たとえば木材等のバイオマス燃料を燃焼する燃焼炉（燃焼装置）２と、燃焼炉２に隣接して設けられたボイラー部（熱供給装置）４とを備える。燃焼炉２およびボイラー部４は、バイオマスボイラを構成する。燃焼炉２およびボイラー部４として、公知のバイオマスボイラにおける燃焼装置と熱供給装置が採用され得る。熱電併給システム１は、たとえば、製材工場、公共施設（市庁舎、図書館、公民館、学校など）、老健施設、温浴施設などに設置され得る。

燃焼炉２は、バイオマス燃料が投入されるバイオマス燃料投入部２ａを含む。燃焼炉２は、バイオマス燃料投入部２ａから投入されたバイオマス燃料を燃焼させる。ボイラー部４は、ボイラー部４の上部に併設されており、燃焼炉２に一体化されている。ボイラー部４は、水入口７ａを含む水供給配管７と、管寄せ配管１１と、フィンチューブ１２と、管寄せ配管１３とを有する。ボイラー部４の管寄せ配管１１には、水供給配管７を通じて、たとえば水が供給される。ボイラー部４は、燃焼炉２で発生した熱を用いてフィンチューブ１２において熱交換を行い、管寄せ配管１３を通じて蒸気（第１蒸気）または温水を発生させる。ボイラー部４は、蒸気／温水発生ユニットである。ボイラー部４で発生する蒸気または温水は、熱電併給システム１において熱利用および発電利用に供される、加熱された熱媒体である。言い換えれば、この加熱された熱媒体は、蒸気または温水を含み得る。ボイラー部４において蒸気を発生させるか温水を発生させるかは、適宜、バイオマスボイラの型式や運転条件、熱利用の用途等に応じて決定され得る。

ボイラー部４は、たとえば、労働安全衛生法施行令第１条第３号に規定されるボイラー（いわゆる労基ボイラー）に該当し得る。後述する流量調整手段６における蒸気または温水の分配比率を調整することにより、ボイラー部４が当該定められたボイラーに該当するようになっている。

熱電併給システム１は、燃焼炉２およびボイラー部４に隣接して設けられたバイナリー発電装置（発電装置）３を更に備える。バイナリー発電装置３は、熱電併給システム１における発電利用のために設けられている。バイナリー発電装置３は、燃焼炉２に一体化されるように設けられてもよく、ボイラー部４に一体化されるように設けられてもよい。バイナリー発電装置３は、燃焼炉２およびボイラー部４からなるバイオマスボイラに対して、ユニット化またはパッケージ化されている。燃焼炉２、ボイラー部４、およびバイナリー発電装置３は、一体化されて、たとえば筐体１０内に収容されている。

バイナリー発電装置３は、ボイラー部４で発生した蒸気または温水（熱媒体）を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（発電用媒体）の循環流路を含む。この循環流路には、循環ポンプが設けられ得る。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、蒸発器において作動媒体を蒸発させて作動媒体の蒸気（第２蒸気）を発生させる。バイナリー発電装置３は、蒸気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。

バイナリー発電装置３は、発電された電気を電気系統に接続するための接続部９を含む。接続部９は、ＡＣ−ＤＣコンバータ、系統連系コンバータ、および絶縁トランス等を含み得る。接続部９は、系統連系用の逆変換装置を含んでもよい。

熱電併給システム１は、管寄せ配管１３に接続され、ボイラー部４から排出された蒸気または温水が通る１本の流量調整用配管１４と、流量調整用配管１４から分岐する１本の熱利用配管８と１本の発電利用配管１７とを備える。流量調整用配管１４には、弁１６が設けられる。熱利用配管８および発電利用配管１７には、弁１８および弁１９がそれぞれ設けられる。弁１６、弁１８、および弁１９は、それぞれ、グローブ弁等の流量調整機能を有する弁であってもよい。これらの弁の開閉（全開、全閉、または開度）は、図示しないコントローラによって制御されてもよい。たとえば流量調整用配管１４には、熱媒体の圧力または流量を検知する検知部が設けられてもよい。これらの弁は、熱媒体の圧力または流量に基づいて開閉制御されてもよい。

熱利用配管８および発電利用配管１７には、ボイラー部４で発生した蒸気または温水が通る。熱利用配管８は、蒸気または温水を熱利用するためのラインであり、発電利用配管１７は、蒸気または温水を発電利用するためのラインである。熱利用配管８の蒸気／温水出口８ａは、筐体１０の外部に配置されて、熱電併給システム１の後段に設置される図示しない熱利用設備に接続され得る。一方、発電利用配管１７は、バイナリー発電装置３の蒸発器に接続される。したがって、バイナリー発電装置３の蒸発器では、内部を循環する作動媒体と発電利用配管１７を通る蒸気または温水との熱交換により、作動媒体が蒸発させられる。

発電利用配管１７は、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間に設けられている。そして、ボイラー部４で発生した蒸気または温水は、弁１６、弁１８、および弁１９によって、熱利用配管８と発電利用配管１７とに分配される。蒸気または温水の分配比率は、上記した弁１６、弁１８、および弁１９の開閉制御によって調整され得る。このように、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には、ボイラー部４で発生した蒸気または温水を熱利用配管８と発電利用配管１７とに分配する流量調整手段６が設けられている。流量調整手段６は、弁１６、弁１８、および弁１９を含み得る。流量調整手段６は、上記したコントローラを含んでもよい。

流量調整手段６における分配比率は、ボイラー部４で発生した蒸気もしくは温水の量に対して、所望の熱利用と発電利用の比率となるように決められ得る。たとえば、熱電併給システム１では、熱利用配管８を通じての熱利用に係る蒸気もしくは温水の量は、熱利用に係る蒸気もしくは温水の量と発電利用配管１７を通じての発電利用に係る蒸気もしくは温水の量とを合計した合計量の５０％以上を占めている。

熱電併給システム１では、燃焼炉２およびボイラー部４に対してバイナリー発電装置３が一体化されており、それによって、これらの間の配管構成や熱の伝達に係る構成が簡易化されている。より詳細には、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には、発電利用配管１７および弁類（流量調整手段６）が設けられるが、熱交換器は設けられていない。バイナリー発電装置３の蒸発器以外に、別の熱交換器は設けられていない。このように、熱電併給システム１では、バイオマスボイラと発電機を別々に導入するのではなく、バイオマスボイラにバイナリー発電装置３を一体に設けることで、部品点数が削減されている。その結果として、低コストかつ省スペースが実現されている。

なお、いずれも図示は省略されているが、熱電併給システム１は、蓄電池または無停電電源装置を備えてもよい。蓄電池または無停電電源装置は、たとえば系統が停止した場合等の非常時においても熱電併給システム１の稼働を可能とする。蓄電池は、電力調整用にも用いられ得る。また、熱電併給システム１は、系統側の要請に応じ、発電量を制御する電力調整手段を備えてもよい。

本実施形態の熱電併給システム１によれば、ボイラー部４において、蒸気または温水を含む熱媒体が発生する。この熱媒体とバイナリー発電装置３の作動媒体との熱交換により、作動媒体が蒸発し、バイナリー発電装置３における発電が行われる。ここで、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には発電利用配管１７が設けられているが、作動媒体を蒸発させるための蒸発器とは別の熱交換器は、何ら設けられていない。すなわち、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には、配管や弁類などといった流体を通す部品のみが設けられており、熱交換器は設けられていない。このように、互いに隣接し一体に構成された燃焼炉２、ボイラー部４、およびバイナリー発電装置３では、別途の熱交換器は不要になっている。よって、この熱電併給システム１によれば、簡易な構成で熱利用と発電とを行うことができる。また、低品位バイオマス等を用いた熱量の不安定な燃焼エネルギーであっても、熱伝達が良好であり発電を好適に行うことができる。

熱電併給システム１では、バイナリー発電装置３が用いられる。従来のガス化発電に比較して、連続稼働が可能であり、高稼働率が実現されている。しかも、発電装置として、扱いやすいものとなっている。また、ボイラー部４がバイナリー発電装置３の前段にあるため、熱利用と発電利用の割合を自在に変更することができる。

流量調整手段６によって、ボイラー部４で発生した蒸気または温水が、熱利用向け及び発電利用向けに適宜流量調整され、分配される。また、バイナリー発電装置３の蒸発器に、発電利用配管１７が直接接続され、蒸気または温水が蒸発器に導入される。

熱利用配管８を通じての熱利用に係る蒸気もしくは温水の量が合計量の５０％以上を占めるので、ボイラー部４（バイオマスボイラ）は労基ボイラーの基準を満たすことができる。

続いて、図２を参照して、第２実施形態に係る熱電併給システム１Ａについて説明する。図３に示される熱電併給システム１Ａが第１実施形態の熱電併給システム１と違う点は、流量調整用配管１４から分岐する熱利用配管８と発電利用配管１７に代えて、流量調整用配管１４に接続されてバイナリー発電装置３に導入される発電利用配管１５を備えた点である。バイナリー発電装置３は、燃焼炉２およびボイラー部４に隣接して設けられる。発電利用配管１５は、バイナリー発電装置３の蒸発器に接続される。したがって、バイナリー発電装置３の蒸発器では、内部を循環する作動媒体と発電利用配管１５を通る蒸気または温水との熱交換により、作動媒体が蒸発させられる。蒸発器における熱交換を終えた温水は、熱利用配管２８を通じて、バイナリー発電装置３から排出される。熱利用配管２８の温水出口２８ａは、筐体１０の外部に配置されて、熱電併給システム１Ａの後段に設置される図示しない熱利用設備に接続され得る。したがって、発電利用配管１５は、発電利用と熱利用の双方を兼ねた兼用配管であると言える。弁１６の開閉（たとえば開度）は、図示しないコントローラによって制御されてもよい。

熱電併給システム１Ａでは、上記した合計量の全量が、発電以外の用途に合わせて制御が行われる。この場合でも、ボイラー部４（バイオマスボイラ）は労基ボイラーの基準を満たすことができる。

熱電併給システム１Ａでは、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には発電利用配管１５が設けられているが、作動媒体を蒸発させるための蒸発器とは別の熱交換器は、何ら設けられていない。すなわち、ボイラー部４とバイナリー発電装置３との間には、配管や弁類などといった流体を通す部品のみが設けられており、熱交換器は設けられていない。熱電併給システム１Ａによれば、熱電併給システム１と同様の作用・効果が奏される。

続いて、図３を参照して、第３実施形態に係る熱電併給システム１Ｂについて説明する。図３に示される熱電併給システム１Ｂが第１実施形態の熱電併給システム１と違う点は、流量調整用配管１４から分岐する発電利用配管１７に代えて、バイナリー発電装置３の内部から外部にわたって敷設された発電利用配管２０を備えた点と、流量調整手段６に代えて、発電利用配管２０内の作動媒体を加熱する加熱ユニット３０を具備した点である。

発電利用配管２０は、バイナリー発電装置３の循環流路の一部をなしている。発電利用配管２０には、バイナリー発電装置３の作動媒体が通る。発電利用配管２０の一部はフィンチューブ２０ａになっており、このフィンチューブ２０ａが、加熱ユニット３０内に設けられている。加熱ユニット３０は、ボイラー部４で発生した蒸気または温水と、フィンチューブ２０ａ内の作動媒体との熱交換により、作動媒体を加熱し蒸発させる。加熱ユニット３０で蒸発させられた作動媒体の蒸気（第２蒸気）は、発電利用配管２０を通じて加熱ユニット３０内のタービンに供給される。

熱電併給システム１Ｂでは、バイナリー発電装置３の作動媒体は、発電利用配管２０を通じてバイナリー発電装置３の外部に導入され、ボイラー部４で直接加熱される。熱電併給システム１Ｂでは、バイナリー発電装置３の内部の蒸発器は省略されており、その代わりに加熱ユニット３０が蒸発器として機能する。合計量に対する、熱利用配管８を通じての熱利用に係る蒸気または温水の量の比率は、熱電併給システム１と同様、５０％以上とされてもよい。この比率は、フィンチューブ２０ａにおける熱交換量や、作動媒体の循環量等によって、設定され得る。

熱電併給システム１Ｂによれば、熱電併給システム１と同様の作用・効果が奏される。また、作動媒体は、加熱ユニット３０において、蒸気または温水によって直接加熱される。これにより、バイナリー発電装置３の内部に蒸発器を備える必要がなくなり、更に簡易な構成で発電を行うことができる。

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、熱電併給システム１における流量調整手段６は、上記したグローブ弁とは異なる構成であってもよい。熱電併給システム１Ｂにおける加熱ユニット３０は、上記したフィンチューブ２０ａとは異なる構成であってもよい。発電装置は、バイナリー発電装置３に限られない。熱電併給システム１または熱電併給システム１Ｂにおいて、蒸気タービンを含む発電装置が採用されてもよい。その場合、発電用媒体は、水または他の流体（油等）であってもよい。

熱供給装置は、ボイラー部４以外の型式のものであってもよい。管寄せ配管１１、フィンチューブ１２、管寄せ配管１３等のボイラー部４に係る構成は、変更されてもよい。燃焼装置は、燃焼炉２以外のバイオマス燃焼装置であってもよい。

１、１Ａ、１Ｂ 熱電併給システム
２ 燃焼炉（燃焼装置）
３ バイナリー発電装置（発電装置）
４ ボイラー部（熱供給装置）
６ 流量調整手段
８ 熱利用配管
１５ 発電利用配管
１７ 発電利用配管
２０ 発電利用配管
２０ａ フィンチューブ（発電利用配管の一部）
２８ 熱利用配管
３０ 加熱ユニット

Claims (4)

1. バイオマスを燃焼させる燃焼装置と、
   前記燃焼装置に隣接して設けられ、前記燃焼装置で発生した熱を用いて第１蒸気または温水を含む加熱された熱媒体を発生させる熱供給装置と、
   前記燃焼装置または前記熱供給装置に隣接して設けられ、前記熱供給装置で発生した前記熱媒体と発電用媒体との熱交換により前記発電用媒体を蒸発させて第２蒸気を発生させ、前記第２蒸気により発電を行う発電装置と、を備え、
   前記熱供給装置と前記発電装置との間には、前記熱媒体と前記発電用媒体との熱交換を行うための、前記熱媒体または前記発電用媒体が通る発電利用配管が設けられており、且つ、前記発電用媒体を蒸発させるための蒸発器とは別の熱交換器は設けられていない、熱電併給システム。
2. 前記熱供給装置で発生した前記熱媒体が通る熱利用配管を更に備え、
   前記発電装置は、前記発電利用配管が接続されると共に、前記発電用媒体と前記発電利用配管を通る前記熱媒体との熱交換により前記発電用媒体を蒸発させる前記蒸発器を含み、
   前記熱供給装置と前記発電装置との間には、前記熱供給装置で発生した前記熱媒体を前記熱利用配管と前記発電利用配管とに分配する流量調整手段が設けられている、請求項１に記載の熱電併給システム。
3. 前記熱供給装置で発生した前記熱媒体が通る熱利用配管を更に備え、
   前記発電用媒体が通る前記発電利用配管が、前記発電装置の内部から外部にわたって敷設されており、
   前記燃焼装置または前記熱供給装置には、前記発電装置の外部にある前記発電利用配管の一部が設けられて前記熱供給装置で発生した前記熱媒体により前記発電用媒体を加熱し蒸発させる、前記蒸発器としての加熱ユニットが具備される、請求項１に記載の熱電併給システム。
4. 前記熱利用配管を通じての熱利用に係る蒸気もしくは温水の量は、当該熱利用に係る蒸気もしくは温水の量と前記発電利用配管を通じての発電利用に係る蒸気もしくは温水の量とを合計した合計量の５０％以上を占める、請求項２または３に記載の熱電併給システム。

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