JP2020085415A - ボイラシステム及び発電プラント並びにボイラシステムの運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、ボイラにおいて給水を加熱するために用いられる燃料を低減することができるボイラシステム及び発電プラント並びにボイラシステムの運転方法を提供することを目的とする。
本発明の第1態様に係るボイラシステムは、給水から蒸気を生成するボイラと、前記ボイラに供給される前記給水が流通する給水流路と、太陽光を集光させて発生する熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱加熱部と、前記太陽熱加熱部が設けられ、前記熱媒を所定の一定流量で循環させる循環流路と、前記給水流路を流通する前記給水と、前記循環流路を流通する前記熱媒とを熱交換する第1熱交換部と、前記ボイラに設けられ、該ボイラで生成される前記蒸気の温度を調整する調整手段と、を備える。
なお、太陽光から得た熱を積極的に低減させる装置等を設ける構成とは、例えば、熱媒の循環流量を変化させて熱媒の温度を調整する調整手段を設ける構成や、熱媒と熱交換する給水量を調整する調整手段を設ける構成が挙げられる。
また、上記構成では、熱媒の循環流量が所定の一定流量とされている。所定の一定流量は、例えば、太陽光エネルギが最も高い条件において、太陽熱加熱部で太陽光を集光させて発生するエネルギから熱媒を加熱して得た熱媒の温度が、太陽熱加熱部での設計温度になる流量としてもよい。
なお、前記スプレイ水調整手段は、下流過熱器によって加熱された蒸気の温度に基づいて、ボイラで生成される蒸気の温度が所望の温度となるように、制御されるとより好適である。また、燃料調整手段は、過熱低減器に供給される蒸気の温度に基づいて、ボイラで生成される蒸気の温度が所望の温度となるように、制御されるとより好適である。
また、気水分離器を設け、気水分離器から蒸気のみを第1熱交換部へ供給している。これにより、第1熱交換部で、高温の蒸気のみによって給水を加熱することができるので、好適に給水を加熱することができる。
また、ボイラにおいて給水を加熱するために用いられる燃料を低減することができる。
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図3を用いて説明する。
発電プラント100は、蒸気を生成するボイラシステム1と、ボイラシステム1で生成された蒸気によって蒸気タービン7を回転させることで発電を行う発電部2と、を備えている。
ボイラシステム1は、給水から蒸気を生成するボイラ3と、ボイラ3へ供給する給水を後述する蒸気タービン7から抽気した蒸気によって加熱する給水予熱部(第2熱交換部)4と、太陽光を集光させて発生するエネルギを利用して加熱した熱媒と熱交換することで、ボイラ3へ供給する給水を加熱する太陽熱利用加熱部5と、各種装置を制御する制御装置(図示省略)と、を備えている。
発電部2は、ボイラ3で生成した蒸気によって回転駆動する蒸気タービン7と、蒸気タービン7の回転駆動力によって発電する発電機8と、を備えている。
バーナ31は、燃料配管(燃料供給路)33を介して供給される燃料を燃焼させることで、火炉30内で火炎を形成する。燃料配管33には、内部を流通する燃料の流量を調整する燃料流量調整弁(燃料調整手段)33aが設けられている。燃料流量調整弁33aは、開度を調整することで、バーナ31に供給する燃料の流量を調整することができる。
また、高圧給水ヒータ42は、第3抽気配管27を介して、高圧蒸気タービン70と接続されている。高圧給水ヒータ42では、給水と、第3抽気配管27を介して供給された蒸気とを熱交換している。
熱媒温度計測器54は、循環流路50を循環する熱媒のうち、太陽熱集熱器51で加熱された直後の熱媒の温度Tоを計測している。
蒸気温度制御処理を開始すると、制御装置はまず、最終過熱器36から排出される蒸気(すなわち、ボイラ3から排出される蒸気)の蒸気温度Tmの目標温度及び、最終過熱器36から排出される蒸気(すなわち、ボイラ3から排出される蒸気)の蒸気圧力Pmの目標圧力を設定する(S1)。蒸気温度Tmの目標温度及び蒸気圧力Pmの目標圧力は、例えば、高圧蒸気タービン70が定格で回転する際の温度及び圧力等に設定される。次に、制御装置は、S2に進み、節炭器38へ供給される直前の給水の温度Thが変化しているか否かを判断するとともに、太陽熱集熱器51で加熱された直後の熱媒の温度Tоが変化しているか否かを判断する。どちらか一方でも変化していると判断した場合には、制御装置は日射量に変化があったと判断しS3に進む。どちらの値も変化していないと判断した場合には、日射量に変化がないと判断し、所定時間後に再度S2を繰り返す。
次に、制御装置は、S10に進み、燃料流量調整弁33aの開度を制御し、バーナ31に供給される燃料の流量を調整する。詳細には、S10で制御装置は、最終過熱低減器35直前の蒸気温度Tsが所定の温度となるように、燃料流量調整弁33aの開度を制御する。
復水器73から排出された給水は、復水ポンプ20aへ供給される。復水ポンプ20aから吐出された給水は、まず低圧給水ヒータ40に導入される。低圧給水ヒータ40では、第1給水配管20を介して導入された給水と、低圧タービンから第1抽気配管25を介して導入された蒸気とが熱交換することで、給水が加熱される。低圧給水ヒータ40で加熱された給水は、低圧給水ヒータ40から排出され、給水ポンプ21aへ供給されて昇圧する。給水ポンプ21aから吐出された給水は、中圧給水ヒータ41に導入される。中圧給水ヒータ41では、第2給水配管21を介して導入された給水と、中圧タービンから第2抽気配管26を介して導入された蒸気とが熱交換することで、給水が加熱される。中圧給水ヒータ41で加熱された給水は、中圧給水ヒータ41から排出され、高圧給水ヒータ42へ導入される。高圧給水ヒータ42では、第3給水配管22を介して導入された給水と、高圧タービンから第3抽気配管27を介して導入された蒸気とが熱交換することで、給水が加熱される。高圧給水ヒータ42で加熱された給水は、高圧給水ヒータ42から第4給水配管23へ排出される。第4給水配管23内を流通する給水は、290〜300℃程度(温度は本実施形態での一例であり、これに限定されない)まで昇温されている。
熱媒ポンプ53から吐出された熱媒は、循環流路50を流通し、太陽熱集熱器51へ導入される。太陽熱集熱器51では、太陽光を集光することにより発生するエネルギから、熱媒を加熱する(熱媒加熱工程)。太陽熱集熱器51から排出された熱媒は、循環流路50を流通し、太陽熱利用給水加熱器52へ導入される。太陽熱利用給水加熱器52では、熱媒と給水とを熱交換する(熱交換工程)。この時の熱媒温度Toは、320〜350℃程度(温度は本実施形態での一例であり、これに限定されない)まで昇温されている。太陽熱利用給水加熱器52から排出された熱媒は、熱媒ポンプ53へ供給される。
ボイラ3で生成される蒸気の温度は、最終過熱低減器35に供給されるスプレイ水の量による制御で、時間遅れが少なく応答性に優れて制御される。スプレイ水の量が増加すると、上流側過熱器34へ導入される蒸気流量が減少して最終過熱低減器35入口の蒸気温度も変動するため、最終的にはボイラ3に投入される燃料の供給量の調整を行うことで、ボイラ3での本質的な熱バランスが行なわれ、生成される蒸気温度を長期的なバランス変動を制御して実施することができる。
これにより、日射量に変化が生じて、ボイラ3に供給される給水の温度が変化した場合であっても、ボイラ3で生成される蒸気の温度を迅速に所望の温度にして、ボイラ3から出力することができる。また、蒸気の温度を所望の温度とすることができるので、ボイラ3で生成される蒸気の圧力も所望の圧力で安定させることができる。
また、本実施形態では、ボイラ3で生成される蒸気の温度及び圧力を所望の温度及び圧力にすることができるので、発電機8で発電する発電量を所望の発電量とすることができる。また、発電機8での発電量を一定とすることができるので、電力を安定的に供給することができる。すなわち、太陽光の日射量の変化が発生しても、発電プラント100から出力する電力を所望の電力量で安定して供給することができる。
なお、太陽光から得た熱を積極的に低減させる装置等を設ける構成等の、温度を調整する構成等を設ける構成とは、例えば、日射量の変化が生じた際に太陽光から得たエネルギを積極的に低減させて熱媒の加熱後の温度を維持する構成等を設けて太陽光から得た熱を積極的に低減させる構成等が挙げられる。また、例えば、熱媒の循環流量を変化させて熱媒の温度を調整する調整手段を設ける構成や、熱媒と熱交換する給水量を調整する調整手段を設ける構成が挙げられる。
太陽光の日射量が変化すると、太陽熱集熱器51での熱媒の加熱量が変化する。このため、太陽熱集熱器51から太陽熱利用給水加熱器52へ供給される熱媒温度Tоも変化する。よって、熱媒温度Toは、日射量の変化に対して迅速に変化する。したがって、熱媒温度Tоに基づいて燃料の供給量を先行制御することで、さらに迅速に日射量の変化に対応することができる。よって、全体制御系の時定数による整定にさらに時間的余裕を持たせることができるので、さらに正確に、整定への時間遅れを抑制してボイラ3で生成される蒸気温度Tmが所望の温度となるように燃料の供給量を制御することができる。
次に、本実施形態に係る第2実施形態について図4を用いて説明する。
第2実施形態に係る発電プラント200は、バイパス配管を設ける位置等が第1実施形態と相違している。したがって、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
第3給水流量調整弁84の開度は、バイパス配管82に流入する給水の量が、全体給水の流量に対して、本実施形態では例えば、10%から50%程度となるように設定されている。すなわち、本実施形態では、中圧給水ヒータ41及び高圧給水ヒータ42と、太陽熱利用給水加熱器52とが並列に設けられており、どちらでも給水を加熱している。
本実施形態では、中圧給水ヒータ41及び高圧給水ヒータ42と、太陽熱利用給水加熱器52とが並列に設けられており、どちらでも給水を加熱している。これにより、中圧給水ヒータ41及び高圧給水ヒータ42で加熱する給水量を低減させることができるので、中圧蒸気タービン71の第2抽気配管26を介して抽気する蒸気の量及び高圧蒸気タービン70の第3抽気配管27を介して抽気する蒸気の量を低減させることができる。したがって、蒸気タービン7で得られるエネルギを増加させることができ、蒸気タービン7へ供給する蒸気量を減少させることができ、ボイラ3において給水を加熱するために用いられる燃料を低減することができる。
次に、本発明に係る第3実施形態について図5を用いて説明する。
第3実施形態に係る発電プラント300では、太陽熱利用加熱部の構成が第1実施形態と相違している。したがって、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
気水分離器92は、太陽熱集熱器51で加熱されて気液二相となった熱媒を水と蒸気とに分離する。また、分離した蒸気を、循環流路50を介して太陽熱利用給水加熱器52へ供給する。また、分離した水を、水配管94を介して、第1熱媒ポンプ53と太陽熱集熱器51との間の循環流路50へ供給する。凝縮器93は、太陽熱利用給水加熱器52で給水を加熱した熱媒(蒸気)を凝縮させて、水にする。
本実施形態では、熱媒として安価な水または蒸気を用いている。したがって、熱媒のコストを低減することができる。また、気水分離器92を設け、気水分離器92から蒸気のみを太陽熱利用給水加熱器52へ供給している。これにより、太陽熱利用給水加熱器52で、高温の蒸気のみによって給水を加熱することができるので、好適にバイパス配管43から供給する給水を加熱することができる。
例えば、上記各実施形態では、節炭器38へ供給される直前の給水の温度Thの温度変化に基づいて、燃料供給量の先行制御を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、節炭器38から排出された給水の温度Teの温度変化に基づいて、燃料供給量の先行制御を行ってもよい。
2 :発電部
3 :ボイラ
4 :給水予熱部(第2熱交換部)
5 :太陽熱利用加熱部
7 :蒸気タービン
8 :発電機
11 :第1蒸気配管
11a :第1蒸気温度計測器
12 :第2蒸気配管
13 :第3蒸気配管
13a :第3蒸気温度計測器
13b :蒸気圧力計測器
13c :蒸気流量調整弁
14 :第4蒸気配管
15 :第5蒸気配管
16 :第6蒸気配管
17 :第7蒸気配管
20 :第1給水配管
20a :復水ポンプ
21 :第2給水配管
21a :給水ポンプ
22 :第3給水配管
23 :第4給水配管(給水流路)
23a :第1給水開閉弁(切替手段)
23b :第1給水温度計測器(給水温度計側手段)
24 :第5給水配管
24a :第2給水温度計測器
25 :第1抽気配管
26 :第2抽気配管
27 :第3抽気配管
30 :火炉
31 :バーナ
32 :煙道
33 :燃料配管(燃料供給路)
33a :燃料流量調整弁(燃料調整手段)
34 :上流側過熱器(上流過熱器)
35 :最終過熱低減器(過熱低減器)
36 :最終過熱器(下流過熱器)
37 :再熱器
38 :節炭器(給水加熱器)
39 :スプレイ水配管(スプレイ水供給流路)
39a :スプレイ水量調整弁(スプレイ水調整手段)
40 :低圧給水ヒータ
41 :中圧給水ヒータ
42 :高圧給水ヒータ
43 :バイパス配管(第1バイパス流路)
43a :第2給水開閉弁(切替手段)
50 :循環流路
51 :太陽熱集熱器(太陽熱加熱部)
52 :太陽熱利用給水加熱器(第1熱交換部)
53 :熱媒ポンプ
54 :熱媒温度計測器(熱媒温度計測手段)
70 :高圧蒸気タービン(蒸気タービン)
71 :中圧蒸気タービン
72 :低圧蒸気タービン
73 :復水器
74 :回転軸
81 :ボイラシステム
82 :バイパス配管(第2バイパス流路)
83 :第1給水開閉弁
84 :第3給水流量調整弁
91 :太陽熱利用加熱部
92 :気水分離器
93 :凝縮器
94 :水配管
95 :第2熱媒ポンプ
100 :発電プラント
200 :発電プラント
300 :発電プラント
Claims (10)
- 給水から蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラに供給される前記給水が流通する給水流路と、
太陽光を集光させて発生する熱を利用して熱媒を加熱する太陽熱加熱部と、
前記太陽熱加熱部が設けられ、前記熱媒を所定の一定流量で循環させる循環流路と、
前記給水流路を流通する前記給水と、前記循環流路を流通する前記熱媒とを熱交換する第1熱交換部と、
前記ボイラに設けられ、該ボイラで生成される前記蒸気の温度を調整する調整手段と、を備えるボイラシステム。 - 前記循環流路では、前記太陽熱加熱部で加熱された前記熱媒のすべてが前記第1熱交換部へ供給され、前記第1熱交換部で熱交換した前記熱媒のすべてが前記太陽熱加熱部へ供給される請求項1に記載のボイラシステム。
- 前記ボイラは、前記蒸気を過熱する下流過熱器と、前記下流過熱器よりも上流側に設けられ前記蒸気を過熱する上流過熱器と、前記下流過熱器と前記上流過熱器との間に設けられて供給された前記蒸気の温度を低減させる過熱低減器と、前記上流過熱器よりも上流側の前記給水を抽水して前記過熱低減器へ供給するスプレイ水供給流路と、バーナに燃料を供給する燃料供給路と、を備え、
前記スプレイ水供給流路には、前記過熱低減器に供給する前記給水の量を調整するスプレイ水調整手段が設けられ、
前記燃料供給路には、前記バーナに供給する燃料の量を調整する燃料調整手段が設けられ、
前記調整手段は、前記スプレイ水調整手段及び前記燃料調整手段を有する請求項1または請求項2に記載のボイラシステム。 - 前記ボイラは、前記上流過熱器よりも上流側に設けられて供給された前記給水を加熱する給水加熱部と、前記給水加熱部に供給される前記給水の温度を計測する給水温度計側手段と、を備え、
前記給水温度計側手段が計測する前記給水の温度に基づいて、前記燃料調整手段を制御する請求項3に記載のボイラシステム。 - 前記太陽熱加熱部から前記第1熱交換部へ供給される前記熱媒の温度を計測する熱媒温度計測手段を備え、
前記熱媒温度計測手段が計測する前記熱媒の温度に基づいて、前記燃料調整手段を制御する請求項3または請求項4に記載のボイラシステム。 - 前記給水流路からバイパスする第1バイパス流路と、
前記給水が前記給水流路を流通するか前記第1バイパス流路を流通するかを切り替える切替手段と、
前記太陽熱加熱部から前記第1熱交換部へ供給される前記熱媒の温度を計測する熱媒温度計測手段と、を備え、
前記第1熱交換部は、前記第1バイパス流路に設けられ、
前記熱媒温度計測手段が計測した前記熱媒の温度が所定の値よりも低い場合に、前記給水が前記第1バイパス流路に流入しないように、前記切替手段を制御する請求項1から請求項5のいずれかに記載のボイラシステム。 - 前記給水流路に設けられ、前記ボイラで生成された前記蒸気によって駆動する蒸気タービンから抽気した前記蒸気と前記給水とを熱交換させる第2熱交換部と、
前記第2熱交換部をバイパスするように設けられ、前記第1熱交換部が設けられる第2バイパス流路と、を備え、
前記第2バイパス流路には、前記ボイラに供給される前記給水の一部が流通する請求項1から請求項5のいずれかに記載のボイラシステム。 - 前記太陽熱加熱部と前記第1熱交換部との間に設けられる気水分離器を備え、
前記熱媒は、水または蒸気であって、
前記気水分離器は、供給された水と蒸気とを分離するとともに、分離した蒸気を前記第1熱交換部へ供給する請求項1から請求項7のいずれかに記載のボイラシステム。 - 請求項1から請求項8のいずれかに記載のボイラシステムと、
前記ボイラで生成した前記蒸気によって発電を行う発電部と、を備えた発電プラント。 - ボイラにおいて、給水流路を介して供給された給水から蒸気を生成する蒸気生成工程と、
太陽光を集光させて発生する熱を利用して、循環流路を所定の一定流量で循環する熱媒を加熱する熱媒加熱工程と、
前記給水流路を流通する前記給水と、前記循環流路を流通する前記熱媒とを熱交換する熱交換工程と、
前記ボイラに設けられた調整手段によって、前記ボイラで生成される前記蒸気の温度を調整する調整工程と、を備えたボイラシステムの運転方法。
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