JP2020148357A - Power generating system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation system.
下記特許文献1には、アンモニア供給部から出力される液体の燃料用アンモニアを気化器で気化させて燃焼器に供給する燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムが開示されている。このようなガスタービンエンジンシステムによれば、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減しかつ燃料用アンモニアを気化させるために使用するエネルギ量を削減することが可能である。 Patent Document 1 below discloses a combustion device and a gas turbine engine system in which liquid ammonia for fuel output from an ammonia supply unit is vaporized by a vaporizer and supplied to the combustor. According to such a gas turbine engine system, it is possible to reduce the amount of water used for cooling the combustion air and the amount of energy used for vaporizing the fuel ammonia.
ところで、上記特許文献1には熱源が明示されていないが、ガスタービンエンジンシステムではシステム内の熱源を用いて液体アンモニアを気化させるので、システム全体として見た場合の熱効率が低下する。このようなシステム全体としての熱効率の低下は、システム効率の面で改善すべき課題である。 By the way, although the heat source is not specified in Patent Document 1, in the gas turbine engine system, the liquid ammonia is vaporized by using the heat source in the system, so that the thermal efficiency of the system as a whole is lowered. Such a decrease in the thermal efficiency of the system as a whole is an issue to be improved in terms of system efficiency.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、システム効率を従来よりも向上させることが可能な発電システムの提供を目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a power generation system capable of improving system efficiency as compared with the conventional one.
上記目的を達成するために、本発明では、発電システムに係る第1の解決手段として、液体アンモニアを気化させてアンモニア蒸気を生成し、当該アンモニア蒸気を燃料として燃焼させることにより電力を発生させる発電システムであって、前記液体アンモニアを貯留するタンクと、前記液体アンモニアを所定の熱交換器で海水と熱交換させて前記アンモニア蒸気を発生させる気化器と、前記アンモニア蒸気を燃焼させることにより動力を発生する動力発生装置と、該動力発生装置によって駆動される発電機とを備える、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first solution relating to a power generation system, power generation is performed by vaporizing liquid ammonia to generate ammonia vapor and burning the ammonia vapor as fuel to generate electric power. In the system, power is generated by burning the tank for storing the liquid ammonia, the vaporizer that generates the ammonia vapor by exchanging the liquid ammonia with seawater in a predetermined heat exchanger, and the ammonia vapor. A means of including a power generator that generates power and a generator driven by the power generator is adopted.
本発明では、発電システムに係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記アンモニア蒸気に含まれるアンモニアミストを除去するミスト除去装置をさらに備える、という手段を採用する。 In the present invention, as the second solution for the power generation system, the first solution further includes a mist removing device for removing the ammonia mist contained in the ammonia vapor.
本発明では、発電システムに係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、前記動力発生装置は、ボイラと、ボイラから供給される水蒸気によって動力を発生する蒸気タービンとを備え、前記ミスト除去装置は、前記蒸気タービンの排蒸気と前記アンモニア蒸気とを熱交換させて前記アンモニア蒸気を加熱することによりアンモニアミストを気化させる、という手段を採用する。 In the present invention, as a third solution relating to a power generation system, in the second solution, the power generator includes a boiler and a steam turbine that generates power by steam supplied from the boiler. The mist removing device employs a means of vaporizing the ammonia mist by exchanging heat between the exhaust steam of the steam turbine and the ammonia steam to heat the ammonia steam.
本発明では、発電システムに係る第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、前記海水と熱交換させて前記排蒸気を復水させる復水器をさらに備え、該復水器によって加熱された加熱海水を前記気化器に供給して前記液体アンモニアと熱交換させる、という手段を採用する。 In the present invention, as a fourth solution according to the power generation system, the third solution further includes a condenser that exchanges heat with the seawater to restore the exhaust steam, and is heated by the condenser. A means of supplying the heated seawater to the vaporizer to exchange heat with the liquid ammonia is adopted.
本発明では、発電システムに係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、所定の吸着剤を用いることにより前記液体アンモニアに脱水処理を施す脱水器をさらに備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solution according to the power generation system, the first to fourth solutions further include a dehydrator that dehydrates the liquid ammonia by using a predetermined adsorbent. , Is adopted.
本発明では、発電システムに係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、前記動力発生装置に主燃料を供給する主燃料供給装置をさらに備え、前記気化器は、前記アンモニア蒸気を副燃料として前記動力発生装置に供給する、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solution relating to a power generation system, the vaporizer is further provided with a main fuel supply device for supplying main fuel to the power generator in any of the first to fourth solutions. Adopts a means of supplying the ammonia vapor as an auxiliary fuel to the power generator.
本発明によれば、システム効率を従来よりも向上させることが可能な発電システムを提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a power generation system capable of improving system efficiency as compared with the conventional one.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
最初に、第1実施形態に係る発電システムについて説明する。この発電システムは、図1に示すように、ボイラ1、蒸気タービン2、発電機3、復水器4、循環ポンプ5、海水ポンプ6、タンク7、アンモニアポンプ8、脱水器9、第1気化器10、燃料調節弁11及び主燃料供給装置12を備えている。
[First Embodiment]
First, the power generation system according to the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, this power generation system includes a boiler 1, a
ボイラ1は、主燃料供給装置12から供給される主燃料X1及び第1気化器10から供給されるアンモニア蒸気X2(副燃料)を燃焼させることにより水X3を気化させて水蒸気X4を生成する蒸気生成装置である。このボイラ1は、主燃料用バーナと副燃料用バーナを備えており、所定の比率で主燃料X1とアンモニア蒸気X2(副燃料)とを燃焼させる。このようなボイラ1は、自らが生成した水蒸気X4を駆動流体として蒸気タービン2に供給する。
The boiler 1 is a steam that vaporizes water X3 to generate steam X4 by burning the main fuel X1 supplied from the main
蒸気タービン2は、水蒸気X4(駆動流体)の運動エネルギを用いて回転動力を発生させる原動機である。この蒸気タービン2は、羽根車に吹き付けられる水蒸気X4によって羽根車の回転軸つまり蒸気タービン2の出力軸周りに回転動力を発生させると共に、動力回収後の水蒸気X4を排蒸気X5として復水器4に排出する。なお、上述したボイラ1及び蒸気タービン2は、本発明における動力発生装置を構成している。
The
発電機3は、図示するように自らの回転軸が蒸気タービン2の出力軸に軸結合しており、蒸気タービン2によって回転駆動されることによって交流電力を発生させる。すなわち、この発電機3は、ステータとロータとを備え、ロータが蒸気タービン2によって回転駆動されて生じる電磁誘導によってステータに起電力を発生させる。
As shown in the figure, the generator 3 has its own rotating shaft axially coupled to the output shaft of the
復水器4は、上記排蒸気X5を海水X6を用いて凝縮(復水)させる一種の熱交換器である。すなわち、復水器4は、例えば100℃近傍の排蒸気X5と海水温に近い温度つまり排蒸気X5よりも大幅に低い温度の海水X6とを熱交換させることにより、海水X6を昇温させて加熱海水X7を生成すると共に排蒸気X5を水X3に相変換させる。
The
循環ポンプ5は、上記水X3をボイラ1に供給する。すなわち、循環ポンプ5は、水X3を水蒸気X4に相変化させつつボイラ1、蒸気タービン2及び復水器4の間で循環させるための動力源である。なお、上記循環によって水量(循環量)が徐々に減少するので、発電システムには不足量をボイラ1に給水する給水ポンプ(図示略)が別途備えられている。
The
タンク7は、一定量の液体アンモニアX8を貯留する大型容器である。このタンク7は、アンモニアポンプ8の回転数に応じた流量の液体アンモニアX8をアンモニアポンプ8に供給する。アンモニアポンプ8は、タンク7から液体アンモニアX8を汲み出して第1気化器9に供給する。すなわち、アンモニアポンプ8は、液体アンモニアX8の脱水器9への供給量を調節するポンプである。
The tank 7 is a large container for storing a certain amount of liquid ammonia X8. The tank 7 supplies the
脱水器9は、液体アンモニアX8に脱水処理を施す装置である。すなわち、この脱水器9は、内部に水分吸着性を有する所定の吸着剤、例えば粒状の活性炭が収容されており、液体アンモニアX8を通過させることにより水分を吸着する。このような脱水器9は、水分を除去あるいは低減させた脱水アンモニアX9を第1気化器10に供給する。
The
第1気化器10は、脱水器9から供給される脱水アンモニアX9を復水器4から供給される加熱海水X7を用いて気化させてアンモニア蒸気X2(副燃料)を生成するアンモニア気化器である。すなわち、この第1気化器10は、脱水アンモニアX9を加熱海水X7を熱交換させることによりアンモニア蒸気X2に相変換させる。
The
このような第1気化器10について、加熱海水X7に含まれる異物が内部に蓄積することを防ぐため、加熱海水X7の流速を十分に確保する必要がある。このような事情から第1気化器10には、シェル&チューブ型の熱交換器を採用することが好ましい。
In such a
また、この場合にはチューブ側に加熱海水X7を流通させ、シェル側に脱水アンモニアX9を流通させる。さらに、第1気化器10におけるチューブ側の材料としては、耐食性の高い金属(例えばチタン)を採用することが好ましい。このような第1気化器10は、アンモニア蒸気X2を燃料調節弁11に供給する。なお、第1気化器10は、本発明における気化器に相当する。
In this case, the heated seawater X7 is circulated on the tube side, and the dehydrated ammonia X9 is circulated on the shell side. Further, as the material on the tube side of the
燃料調節弁11は、副燃料であるアンモニア蒸気X2のボイラ1への供給量を最終的に調節する流量調整弁である。すなわち、この燃料調節弁11は、弁体の開度を調節することにより第1気化器10から供給されたアンモニア蒸気X2の通過流量を調節する。
The
主燃料供給装置12は、所定量の主燃料X1をボイラ1に供給する燃料供給装置である。すなわち、この主燃料供給装置12は、ボイラ1に備えられた主燃料用バーナに所定流量の主燃料X1を供給する。なお、上記主燃料X1は、石炭あるいは天然ガスである。
The main
次に、第1実施形態に係る発電システムの動作について詳しく説明する。
この発電システムでは、ボイラ1において主燃料供給装置12から供給された主燃料X1と燃料調節弁11を介して第1気化器10から供給されたアンモニア蒸気X2(副燃料)とが燃焼することにより高圧の水蒸気X4が発生する。
Next, the operation of the power generation system according to the first embodiment will be described in detail.
In this power generation system, the main fuel X1 supplied from the main
そして、この水蒸気X4が蒸気タービン2に供給されることによって回転動力を発生させ、この回転動力によって発電機3が駆動されることによって電力(交流電力)が発生する。そして、この電力は、発電システムの出力として需要設備に供給される。
Then, the steam X4 is supplied to the
そして、蒸気タービン2で動力回収された水蒸気X4は、排蒸気X5として蒸気タービン2から復水器4に排出される。そして、この排蒸気X5は、海水ポンプ6から復水器4に別途供給される海水X6と熱交換されることにより凝縮(復水)して水X3となる。すなわち、排蒸気X5は、海水X6によって冷却されることにより相変化し、気体から液体になる。そして、この水X3は、循環ポンプ5によってボイラ1に循環供給される。
Then, the steam X4 whose power is recovered by the
また、復水器4では海水X6が排蒸気X5との熱交換によって加熱されて加熱海水X7となり第1気化器10に供給される。一方、アンモニアポンプ8によってタンク7から脱水器9に供給された液体アンモニアX8は、水分が除去された脱水アンモニアX9となって第1気化器10に供給される。そして、第1気化器10では、脱水アンモニアX9が加熱海水X7によって加熱されて気化しアンモニア蒸気X2(副燃料)となる。このアンモニア蒸気X2は、燃料調節弁11によって流量が調節されてボイラ1に供給される。
Further, in the
このような第1実施形態によれば、発電システムの外界から取り入れた海水を用いて液体アンモニアX8を気化させてるアンモニア蒸気X2を生成するので、発電システム内で生成した熱を用いて液体アンモニアを気化させる従来技術よりもシステム効率を向上させることが可能である。 According to the first embodiment as described above, since the ammonia vapor X2 that vaporizes the liquid ammonia X8 is generated by using the seawater taken in from the outside world of the power generation system, the liquid ammonia is generated by using the heat generated in the power generation system. It is possible to improve the system efficiency as compared with the conventional method of vaporizing.
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態に係る発電システムについて説明する。この発電システムは、図2に示すように、ボイラ1、蒸気タービン2、発電機3、復水器4、循環ポンプ5、海水ポンプ6、タンク7、アンモニアポンプ8、脱水器9、第1気化器10、燃料調節弁11、主燃料供給装置12、第2気化器13及び蒸気調節弁14を備えている。すなわち、この発電システムは、第1実施形態に係る発電システムに第2気化器13及び蒸気調節弁14を付加した構成を備える。
[Second Embodiment]
Next, the power generation system according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 2, this power generation system includes a boiler 1, a
第2気化器13は、アンモニア蒸気X2に含まれるアンモニアミストを除去するミスト除去装置である。すなわち、この第2気化器13は、第1気化器10から供給されたアンモニア蒸気X2を、蒸気調節弁14を介して蒸気タービン2から供給された排蒸気X5と熱交換させることにより加熱し、以ってアンモニアミスト(液体成分)が除去あるいは低減された乾燥アンモニア蒸気X10を生成する。
The
このような第2気化器13は、排蒸気X5による加熱によってアンモニアミストが気化して除去された乾燥アンモニア蒸気X10を燃料調節弁11に出力する。また、第2気化器13は、排蒸気X5がアンモニア蒸気X2との熱交換によって低温化された低温排蒸気X11を復水器4に出力する。なお、この低温排蒸気X11は、復水器4において排蒸気X5と同様に復水される。
Such a
ここで、上記アンモニアミストは、第1気化器10において蒸発しきれなかった液体アンモニアX8の微細粒子あるいは/及び第1気化器10とボイラ1とを接続する配管中でアンモニア蒸気X2の一部が配管の途中で冷却されて局所的に凝縮した液体アンモニアX8の微細粒子であり、アンモニア蒸気X2中に浮遊するものである。
Here, the ammonia mist is a part of the ammonia vapor X2 in the fine particles of the liquid ammonia X8 that could not be completely evaporated in the
第2実施形態における第2気化器13については、このようなアンモニアミストの性質から第1気化器10とボイラ1とを接続する配管において、ボイラ1に極力近い位置に設けることが好ましい。このような第2気化器13及び蒸気調節弁14並びに第1気化器10は、本発明における気化器を構成している。
The
また、このような第2気化器13についても、上述した第1気化器10と同様にシェル&チューブ型の熱交換器を採用することが好ましい。この場合、チューブ側にアンモニア蒸気X2を流通させ、シェル側に排蒸気X5を流通させる。
Further, as for such a
ただし、第2気化器13については、排蒸気X5の温度が比較的高い場合に壁面で膜沸騰が発生してアンモニア蒸気X2と排蒸気X5との熱交換が阻害される可能性がある。このような事情から、アンモニア蒸気X2と排蒸気X5との熱交換だけでなく、中間熱媒体として温水を使用し、温水と排蒸気X5との熱交換、また温水とアンモニア蒸気X2との熱交換という2台の熱交換器(シェル&チューブ型熱交換器)を採用することが考えられる。
However, with respect to the
このな2台のシェル&チューブ型熱交換器を採用する場合、1台目のシェル&チューブ型熱交換器のチューブ側にアンモニア蒸気X2を流通させ、シェル側に温水を流通させる。また、2台目のシェル&チューブ型熱交換器のチューブ側に温水を流通させ、シェル側に排蒸気X5を流通させる。 When these two shell & tube heat exchangers are adopted, ammonia steam X2 is circulated on the tube side of the first shell & tube heat exchanger, and hot water is circulated on the shell side. In addition, hot water is circulated on the tube side of the second shell & tube type heat exchanger, and exhaust steam X5 is circulated on the shell side.
蒸気調節弁14は、排蒸気X5の第2気化器13への供給量を調節する流量調節弁である。すなわち、この蒸気調節弁14は、蒸気タービン2と第2気化器13とを接続する配管に設けられており、弁体の開口度を可変することにより蒸気タービン2から第2気化器13に流通する排蒸気X5の通過流量を調節する。このような蒸気調節弁14は、アンモニア蒸気X2中のアンモニアミストの気化に最適な流量の排蒸気X5を第2気化器13に供給する。
The
このような第2実施形態によれば、システム効率を従来よりも向上させることが可能であると共に、アンモニア蒸気X2に含まれるアンモニアミストを十分に除去することが可能なので、ボイラ1におけるアンモニア蒸気X2の燃焼効率を向上させることが可能である。 According to such a second embodiment, the system efficiency can be improved as compared with the conventional case, and the ammonia mist contained in the ammonia steam X2 can be sufficiently removed. Therefore, the ammonia steam X2 in the boiler 1 can be sufficiently removed. It is possible to improve the combustion efficiency of
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記各実施形態では、加熱海水X7を用いてアンモニア蒸気X2を生成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、アンモニアの沸点は約−33℃であり、一般的な海水の温度よりも大幅に低い。したがって、加熱海水X7に代えて、あるいは加熱海水X7に加えて、海から取水した海水をそのまま用いて脱水アンモニアX9を気化させてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and for example, the following modifications can be considered.
(1) In each of the above embodiments, the heated seawater X7 is used to generate the ammonia steam X2, but the present invention is not limited to this. That is, the boiling point of ammonia is about −33 ° C., which is significantly lower than the temperature of general seawater. Therefore, the dehydrated ammonia X9 may be vaporized by using the seawater taken from the sea as it is in place of the heated seawater X7 or in addition to the heated seawater X7.
(2)上記各実施形態では、ボイラ1及び蒸気タービン2によって本発明の動力発生装置を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ボイラ1及び蒸気タービン2に代えてガスタービンを動力発生装置とし、ガスタービンの排ガスを熱源として加熱海水X7を生成したり、アンモニアミストを除去してもよい。
(2) In each of the above embodiments, the power generator of the present invention is configured by the boiler 1 and the
(3)上記各実施形態では、排蒸気X5の排熱を復水器4で回収して加熱海水X7を生成するが、本発明はこれに限定されない。すなわち、加熱海水X7を生成するための熱源は、発電システム内の排熱であればよく、また当該排熱を回収するための装置は復水器4とは個別に設けられた熱交換器でも良い。
(3) In each of the above embodiments, the exhaust heat of the exhaust steam X5 is recovered by the
(4)上記各実施形態では、脱水器9を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、液体アンモニアX8の含水率が十分に低い場合には、脱水器9を削除してもよい。
(4) In each of the above embodiments, the
1 ボイラ(動力発生装置)
2 蒸気タービン(動力発生装置)
3 発電機
4 復水器
5 循環ポンプ
6 海水ポンプ
7 タンク
8 アンモニアポンプ
9 脱水器
10 第1気化器
11 燃料調節弁
12 主燃料供給装置
13 第2気化器
14 蒸気調節弁
1 Boiler (power generator)
2 Steam turbine (power generator)
3
Claims (6)
前記液体アンモニアを貯留するタンクと、
前記液体アンモニアを所定の熱交換器で海水と熱交換させて前記アンモニア蒸気を発生させる気化器と、
前記アンモニア蒸気を燃焼させることにより動力を発生する動力発生装置と、
該動力発生装置によって駆動される発電機と
を備えることを特徴とする発電システム。 It is a power generation system that generates electric power by vaporizing liquid ammonia to generate ammonia vapor and burning the vapor vapor as fuel.
The tank for storing the liquid ammonia and
A vaporizer that generates the ammonia vapor by exchanging heat with seawater in a predetermined heat exchanger.
A power generator that generates power by burning the ammonia vapor,
A power generation system including a generator driven by the power generator.
前記ミスト除去装置は、前記蒸気タービンの排蒸気と前記アンモニア蒸気とを熱交換させて前記アンモニア蒸気を加熱することによりアンモニアミストを気化させることを特徴とする請求項2に記載の発電システム。 The power generator includes a boiler and a steam turbine that generates power by steam supplied from the boiler.
The power generation system according to claim 2, wherein the mist removing device vaporizes the ammonia mist by exchanging heat between the exhaust steam of the steam turbine and the ammonia steam to heat the ammonia steam.
該復水器によって加熱された加熱海水を前記気化器に供給して前記液体アンモニアと熱交換させることを特徴とする請求項3に記載の発電システム。 Further provided with a condenser that exchanges heat with the seawater to restore the exhaust steam.
The power generation system according to claim 3, wherein the heated seawater heated by the condenser is supplied to the vaporizer to exchange heat with the liquid ammonia.
前記気化器は、前記アンモニア蒸気を副燃料として前記動力発生装置に供給することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の発電システム。
A main fuel supply device for supplying main fuel to the power generator is further provided.
The power generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the vaporizer supplies the ammonia vapor as an auxiliary fuel to the power generator.
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