JP2021001597A - 発電プラントおよび発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第一実施形態を説明する。まず、本実施形態の蓄熱装置が適用される発電プラントの一例を説明する。本実施形態の蓄熱装置200は、例えば、図3(a)に示す発電プラント100で用いられる。図3(a)は、本実施形態の発電プラント100の流体系統図である。
次に、本実施形態の蓄熱装置200を、図4を用いて説明する。以下、本明細書では、発電プラント100内を還流する蒸気、水等に関し、区別する必要がない場合は、流体と称する。
以下、本実施形態の蓄熱装置200を備える発電プラント100における制御装置150による開閉弁の制御を説明する。
次に、本実発明の第二実施形態を説明する。第一実施形態では、主蒸気管162から分岐する主蒸気バイパス管167を備え、蓄熱装置200は、その主蒸気バイパス管167を通過する流体の熱を蓄熱する。しかしながら、本実施形態では、さらに、高温再熱蒸気管164から分岐する再熱蒸気バイパス管を備える。そして、蓄熱装置200は、この再熱蒸気バイパス管を通過する流体の熱も蓄熱する。
次に、本実施形態の蓄熱装置201を、図13(b)を用いて説明する。
以下、本実施形態の蓄熱装置201を備える発電プラント101における制御装置150による開閉弁の制御を説明する。各運転モードは、第一実施形態と同様である。
[蓄熱装置の変形例]
上記各実施形態では、蓄熱装置200、201は、予め定めたイベントに応じて開閉弁の開閉を制御している。しかしながら、これに限定されない。例えば、逆に、蓄熱層の温度域に応じて温度閾値を設定し、制御装置150は、その温度閾値に従って開閉弁の開閉を制御してもよい。
[蓄熱装置の変形例]
なお、図21(a)に示すように、各蓄熱層内の熱交換部は、直列かつ並列に接続されるよう流路が設けられていてもよい。なお、図21(a)では、主蒸気バイパス流路372、ボイラ排気バイパス流路352および飽和水バイパス流路312の各バイパス流路は省略する。
[蓄熱装置の変形例]
また、図21(b)に示すように、各蓄熱層内の熱交換部は、並列に接続されるよう流路が設けられていてもよい。なお、図21(b)では、主蒸気バイパス流路372、ボイラ排気バイパス流路352および飽和水バイパス流路312の各バイパス流路は省略する。
[蓄熱装置の変形例]
また、蓄熱装置205の各熱交換部は、各流入経路につき、各蓄熱層に1つ設けられていてもよい。この場合の蓄熱装置205の例を、図22(a)に示す。
[蓄熱装置の変形例]
さらに、蓄熱装置205の各熱交換部は、図22(b)に示すように、各蓄熱層に1つ設けられていてもよい。この場合の温度センサ187、185の検出値に応じた各開閉弁の開閉制御は、変形例1と同じである。ただし、この場合は、蓄熱装置205から排出される流体は、流入経路によらず、主蒸気バイパス管167、ボイラ抽気管165および飽和水管161のいずれかを経由して復水器131にもどされる。
また、上記各実施形態では、プラント停止時は、図1(b)に示すように、蒸気タービン120の発電機負荷を、ボイラ110の出力の低下に合わせて減少させている。そして、ボイラ110が最低負荷に到達した時点を均衡終了時とし、以降に発生する余剰熱エネルギを蓄熱している。しかしながら、プラント停止時の各構成の運転態様および蓄熱はこれに限定されない。
次に、本発明の第三実施形態を説明する。本実施形態は、複数の異なる温度域の蓄熱層を有する蓄熱装置からの熱エネルギの回収の実施形態である。なお、蓄熱装置としては、上記各実施形態および各変形例いずれかの蓄熱装置(以下、蓄熱装置200で代表する。)を用いることができる。しかしながら、用いる蓄熱装置は、これに限定されない。以下、蓄熱装置200を用いる場合を例にあげて本実施形態を説明する。
[熱回収時の変形例]
上記実施形態の発電プラント100、101(以下、発電プラント100で代表する。)では、蓄熱装置200〜206(以下、蓄熱装置200で代表する。)に蓄熱された熱エネルギを、蓄熱層ごとに、当該蓄熱層の温度域に対応するボイラ110の熱交換器に供給することで、ボイラ110の負荷上昇時のエネルギ供給を効率的に支援している。
次に、本発明の第四実施形態を説明する。本実施形態では、上記第一〜第三実施形態とは異なり、余剰電力を蓄熱装置に蓄熱する。余剰電力は、風力や太陽光など再生可能エネルギ(以下、再生エネルギと呼ぶ。)による発電装置が電力網に組み込まれることにより発生する。
図29(a)に、本実施形態の蓄熱装置207の一例を示す。本実施形態の蓄熱装置207は、制御装置150からの指示に従って、発電プラント100および再生エネルギ発電装置600による余剰電力を余剰熱エネルギとして蓄熱する。
一般に発電プラントは、管轄の電力系統を監視する給電指令所などから受け取る給電指令に応じて発電を行う。なお、給電指令所は、管轄の全発電所の総発電量と電気の使用量(需要量)とが等しくなるよう各発電プラントに給電指令を送信し、コントロールする。
熱回収時の接続を、図31(a)に示す。各熱回収菅の接続は、第一実施形態と同じであるため、ここでは、説明を省略する。また、熱回収開閉弁の開閉制御も同様である。
なお、上記実施形態では、蓄熱装置207は、それぞれ異なる温度域に温度特性を有する蓄熱材で構成される複数の蓄熱層を備え、当該温度域までしか蓄熱しない。しかしながら、蓄熱装置207への蓄熱はこれに限定されない。
次に、本発明の第五実施形態を説明する。本実施形態では、余剰電力エネルギと余剰熱エネルギとを余剰エネルギとして蓄熱装置に蓄熱する。
図34に、本実施形態の蓄熱装置208の一例を示す。本実施形態の蓄熱装置208の一例を示す。本実施形態の蓄熱装置208は、第一実施形態同様、制御装置150からの指示に従って、発電プラント100および再生エネルギ発電装置600による余剰電力エネルギを余剰熱エネルギとして蓄熱する。
本実施形態の熱回収時の接続を、図35に示す。熱回収は、蓄熱層の温度特性に依存する。よって、各熱回収菅の接続は、第一実施形態と同じであるため、ここでは、説明を省略する。また、熱回収開閉弁の開閉制御も同様である。
また、第四実施形態同様、図36に示す蓄熱装置208aのように、全て同じ温度まで蓄熱可能に構成し、当該温度まで蓄熱するよう構成してもよい。ここでは、一例として、全ての蓄熱層に、上記実施形態の高温層210に相当する温度まで蓄熱する場合を例示する。
蓄熱装置208aを用いる場合の、熱回収時の接続を、図37(a)に示す。上述のように、熱回収時の配管、熱回収開閉弁の制御は、蓄熱層の温度特性に依存する。よって、この場合は、第四実施形態の図31(b)と同様である。
なお、上記変形例では、全ての蓄熱層に高温層210に相当する温度まで蓄熱する場合を例示したが、各蓄熱層への蓄熱温度は、これに限定されない。蓄熱温度の組み合わせは任意である。さらに、蓄熱層の数も問わない。
110:ボイラ、111:節炭器、112:火炉水冷壁、113:汽水分離器、114:過熱器、114a:1次過熱器、114b:2次過熱器、115:再熱器、
120:蒸気タービン、121:高圧蒸気タービン、122:中圧蒸気タービン、123:低圧蒸気タービン、
130:給水ライン、131:復水器、132:復水ポンプ、133:低圧ヒーター、134:脱気器、135:給水ポンプ、136:高圧ヒーター、
150:制御装置、151:制御卓、
161:飽和水管、162:主蒸気管、163:低温再熱蒸気管、164:高温再熱蒸気管、165:ボイラ抽気管、166:タービン排気管、167:主蒸気バイパス管、168:再熱蒸気バイパス管、169:高圧蒸気タービンバイパス管、
172:主蒸気開閉弁、174:再熱蒸気開閉弁、175:ボイラ起動抽気調整弁、177:主蒸気バイパス開閉弁、178:再熱蒸気バイパス開閉弁、179:高圧蒸気タービンバイパス開閉弁、
181:温度センサ、185:温度センサ、187:温度センサ、188:温度センサ、
200:蓄熱装置、201:蓄熱装置、202:蓄熱装置、203:蓄熱装置、204:蓄熱装置、205:蓄熱装置、206:蓄熱装置、
210:高温蓄熱層(高温層)、211:高温熱交換部、214:再熱高温熱交換部、
220:中温蓄熱層(中温層)、221:第一中温熱交換部、221b:第一並列中温熱交換部、222:第二中温熱交換部、224:再熱中温熱交換部、
230:低温蓄熱層(低温層)、231:第一低温熱交換部、231b:第一並列低温熱交換部、231c:第二並列低温熱交換部、232:第二低温熱交換部、232b:第三並列低温熱交換部、233:第三低温熱交換部、234:再熱低温熱交換部、
301:分岐点、302:合流点、303:分岐点、304:合流点、305:分岐点、306:合流点、307:分岐点、308:合流点、
311:飽和水流路、312:飽和水バイパス流路、316:飽和水第一開閉弁、317:飽和水第三開閉弁、
351:ボイラ排気流路、352:ボイラ排気バイパス流路、353:ボイラ排気第三流路、354:ボイラ排気第四流路、356:排気第一開閉弁、357:排気第二開閉弁、359:排気第四開閉弁、
371:主蒸気第一流路、372:主蒸気バイパス流路、373:主蒸気第三流路、374:主蒸気第四流路、376:主蒸気第一開閉弁、377:主蒸気第二開閉弁、378:主蒸気第三開閉弁、379:主蒸気第四開閉弁、
381:再熱蒸気第一流路、382:再熱蒸気バイパス流路、383:再熱蒸気第三流路、386:再熱蒸気第一開閉弁、387:再熱蒸気第二開閉弁、388:再熱蒸気第三開閉弁、
410:第一熱回収管、411:第一熱回収開閉弁、413:熱回収開閉弁、414:熱回収開閉弁、420:第二熱回収管、421:第二熱回収開閉弁、423:熱回収開閉弁、424:熱回収開閉弁、430:第三熱回収管、431:第三熱回収開閉弁、433:熱回収開閉弁、434:熱回収開閉弁、440:第四熱回収管
207:蓄熱装置、207a:蓄熱装置、207b:蓄熱装置、208:蓄熱装置、208a:蓄熱装置、510:電気ヒーター、511:高温層用電気ヒーター、512:給電線、521:中温層用電気ヒーター、522:給電線、531:低温層用電気ヒーター、532:給電線、600:再生エネルギ発電装置
Claims (22)
- 供給された水を加熱して過熱蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラで過熱した過熱蒸気により回転駆動され、発電機を駆動する蒸気タービンと、
内部を通過する余剰エネルギを回収して蓄熱する蓄熱装置と、
起動時および停止時を含む運転中に発生した前記余剰エネルギが前記蓄熱装置に蓄熱されるよう制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする発電プラント。 - 請求項1記載の発電プラントであって、
前記余剰エネルギは、前記ボイラで生成した過熱蒸気のうち、余剰分の熱エネルギである余剰熱エネルギであり、
前記蓄熱装置は、
内部に設けられた流路を通過する流体から熱を回収して蓄熱する、それぞれ、異なる温度域に温度特性を持つ複数の蓄熱部と、
前記制御装置からの指示に従って動作し、前記流路への前記流体の流入を制御する開閉弁と、を備え、
前記制御装置は、前記起動時および前記停止時の少なくとも一方において発生する前記余剰熱エネルギが、流体の態様で、前記余剰熱エネルギの温度が属する温度域に温度特性を有する前記蓄熱部を最初に通過する前記流路に流入するよう、前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項2記載の発電プラントであって、
前記蒸気タービンからの排気蒸気を水にもどして前記ボイラに供給する給水ラインと、
前記ボイラから前記蒸気タービンへ前記過熱蒸気を供給する主蒸気管から分岐し、前記過熱蒸気を前記給水ラインに排出する主蒸気バイパス管と、をさらに備え、
前記蓄熱部は、
第一温度域に温度特性を持つ第一蓄熱部と、
前記第一温度域より低い温度域である第二温度域に温度特性を持つ第二蓄熱部と、を備え、
前記流路は、
前記主蒸気バイパス管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記流体を、前記第一蓄熱部および前記第二蓄熱部の順に通過させて当該蓄熱装置から当該主蒸気バイパス管に排出する主蒸気第一流路を備え、
前記制御装置は、通気開始から前記ボイラの負荷が前記蒸気タービンの発電機負荷に一致するまでの間、および、前記蒸気タービンの発電機負荷が前記ボイラの最低負荷より所定量小さい状態で運転される間の少なくとも一方において、前記主蒸気第一流路に前記流体が流入するよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項3記載の発電プラントであって、
前記ボイラが備える過熱器内の配管から分岐し、当該ボイラ内の過熱蒸気を前記給水ラインに排出するボイラ抽気管をさらに備え、
前記流路は、
前記主蒸気バイパス管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記流体を、前記第一蓄熱部をバイパスして前記第二蓄熱部を通過させて当該蓄熱装置から前記主蒸気バイパス管に排出する主蒸気第三流路と、
前記ボイラ抽気管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記流体を、前記第二蓄熱部を通過させて前記ボイラ抽気管に排出するボイラ排気流路と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記ボイラへの点火から通気開始までの間、前記主蒸気第三流路および前記ボイラ排気流路に前記流体が流入し、前記主蒸気第一流路には前記流体が流入しないよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項3または4記載の発電プラントであって、
前記制御装置は、当該発電プラントの停止時に、前記蒸気タービンの発電機負荷が前記ボイラの負荷未満の場合、前記主蒸気第一流路に前記流体が流入するよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項3記載の発電プラントであって、
前記蒸気タービンは、高圧蒸気タービンと、中低圧蒸気タービンとを備え、
前記ボイラは、前記高圧蒸気タービンを回転駆動後の蒸気を再過熱する再熱器を備え、
前記主蒸気管は、前記過熱蒸気を前記高圧蒸気タービンに供給し、
前記発電プラントは、
前記回転駆動後の蒸気を前記再熱器に供給する低温再熱蒸気管と、
前記再熱器で再過熱後の蒸気を前記中低圧蒸気タービンに供給する高温再熱蒸気管と、
前記主蒸気管から分岐し、前記過熱蒸気を、前記高圧蒸気タービンをバイパスして、前記低温再熱蒸気管に供給する高圧蒸気タービンバイパス管と、
前記高温再熱蒸気管から分岐し、当該高温再熱蒸気管内の蒸気を前記給水ラインに排出する再熱蒸気バイパス管と、をさらに備え、
前記流路は、
前記再熱蒸気バイパス管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記流体を、前記第一蓄熱部および前記第二蓄熱部の順に通過させて当該蓄熱装置から当該再熱蒸気バイパス管に排出する再熱蒸気第一流路と、
前記再熱蒸気バイパス管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記流体を、前記第一蓄熱部をバイパスして前記第二蓄熱部を通過させて当該蓄熱装置から前記再熱蒸気バイパス管に排出する再熱蒸気第三流路と、をさらに備え、
前記制御装置は、通気開始から前記ボイラの負荷が前記蒸気タービンの発電機負荷に一致するまでの間、および、前記蒸気タービンの発電機負荷が前記ボイラの最低負荷より所定量小さい状態で運転される間の少なくとも一方において、前記再熱蒸気第一流路に前記流体が流入するよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項6記載の発電プラントであって、
前記制御装置は、前記ボイラへの点火から通気開始までの間、前記再熱蒸気第三流路に前記流体が流入し、前記再熱蒸気第一流路には前記流体が流入しないよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項6または7記載の発電プラントであって、
前記制御装置は、当該発電プラントの停止時に、前記蒸気タービンの発電機負荷が前記ボイラの負荷未満の場合、前記主蒸気第一流路および前記再熱蒸気第一流路に前記流体が流入するよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項3記載の発電プラントであって、
前記蓄熱部は、前記第二温度域より低い温度域である第三温度域に温度特性を持つ第三蓄熱部をさらに備え、
前記制御装置は、前記第二蓄熱部を通過させた流体を、前記第三蓄熱部を通過させて前記蓄熱装置から排出するよう前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項9記載の発電プラントであって、
前記ボイラが備える汽水分離器で生成された飽和水を、前記給水ラインに排出する飽和水管をさらに備え、
前記流路は、
前記飽和水管に接続され、当該蓄熱装置に流入する前記飽和水を、前記第三蓄熱部を通過させて前記飽和水管に排出する飽和水流路をさらに備えること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項3記載の発電プラントであって、
前記主蒸気管内の前記過熱蒸気の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記温度センサの出力により、前記開閉弁の開閉を制御するイベントを特定すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項11記載の発電プラントであって、
前記第一温度域および前記第二温度域は、それぞれ、特定される前記イベント時の温度に対応づけて決定されること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項11記載の発電プラントであって、
前記第一蓄熱部および前記第二蓄熱部それぞれの容量は、前記イベント間に発生する前記熱エネルギに応じて決定されること
を特徴とする発電プラント。 - 供給された水を加熱して過熱蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラで過熱した過熱蒸気により回転駆動され、発電機を駆動する蒸気タービンと、
熱エネルギを蓄熱する蓄熱装置と、を備え、
前記ボイラは、
熱交換により第一温度域の温度を有する流体を生成する第一ボイラ熱交換部と、
熱交換により前記第一温度域より低い温度域である第二温度域の温度を有する流体を生成する第二ボイラ熱交換部と、を備え、
前記蓄熱装置は、
前記第一温度域の熱エネルギを蓄熱する第一蓄熱部と、
前記第二温度域の熱エネルギを蓄熱する第二蓄熱部と、
前記第二ボイラ熱交換部で生成された前記流体の一部を前記第二蓄熱部へ導き、前記第二蓄熱部で前記熱エネルギを回収後、前記第一ボイラ熱交換部へ導く第二熱回収管と、
前記第一ボイラ熱交換部で生成された前記流体の一部を前記第一蓄熱部へ導き、前記第一蓄熱部で前記熱エネルギを回収後、前記第一ボイラ熱交換部の出口側へ導く第一熱回収管と、を備えること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項14記載の発電プラントであって、
制御装置をさらに備え、
前記蓄熱装置は、
前記制御装置からの指示に従って動作し、前記第一熱回収管および前記第二熱回収管それぞれへの前記流体の流入を制御する熱回収開閉弁をさらに備え、
前記制御装置は、
当該発電プラントの起動時、前記ボイラの出熱抑制時、および、前記蒸気タービンの駆動促進時の少なくとも1のイベント時に、前記第一熱回収管および前記第二熱回収管に前記流体が流入するよう前記熱回収開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項1または2記載の発電プラントであって、
前記余剰エネルギは、余剰の電力エネルギである余剰電力エネルギを含み、
前記蓄熱装置は、内部に設けられた蓄熱部に、前記余剰電力エネルギにより加熱されるヒーターを備え、
前記制御装置は、前記発電プラントの予め定めた負荷を下回る給電指令を受信した場合、前記ヒーターを作動させること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項16記載の発電プラントであって、
前記蓄熱装置は、前記蓄熱部を複数備え、
各蓄熱部は、それぞれ、異なる温度域に温度特性を有すること
を特徴とする発電プラント。 - 供給された水を加熱して過熱蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラで過熱した過熱蒸気により回転駆動され、発電機を駆動する蒸気タービンと、
余剰エネルギを蓄熱する蓄熱装置と、を備え、
前記ボイラは、熱交換により第一温度域の温度を有する流体を生成する第一ボイラ熱交換部を備え、
前記蓄熱装置は、前記第一温度域の熱エネルギを蓄熱する第一蓄熱部と、
前記第一ボイラ熱交換部で生成された前記流体の一部を前記第一蓄熱部へ導き、前記第一蓄熱部で前記熱エネルギを回収後、前記第一ボイラ熱交換部の出口側へ導く第一熱回収管と、を備えること
を特徴とする発電プラント。 - 請求項18記載の発電プラントであって、
前記ボイラは、熱交換により前記第一温度域より低い温度域である第二温度域の温度を有する流体を生成する第二ボイラ熱交換部をさらに備え、
前記蓄熱装置は、
前記第二温度域の熱エネルギを蓄熱する第二蓄熱部と、
前記第二ボイラ熱交換部で生成された前記流体の一部を前記第二蓄熱部へ導き、前記第二蓄熱部で前記熱エネルギを回収後、前記第一ボイラ熱交換部へ導く第二熱回収管と、をさらに備えること
を特徴とする発電プラント。 - 供給された水を加熱して過熱蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラで過熱した過熱蒸気により回転駆動され、発電機を駆動する蒸気タービンと、
内部を通過する余剰エネルギを回収して蓄熱する蓄熱装置と、を備える発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法であって、
起動時および停止時を含む運転中に前記余剰エネルギが発生すると、当該余剰エネルギを前記蓄熱装置に蓄熱するよう制御すること
を特徴とする発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法。 - 請求項20記載の発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法であって、
前記余剰エネルギは、前記ボイラで生成した過熱蒸気のうち、余剰分の熱エネルギである余剰熱エネルギであり、
前記蓄熱装置は、
内部に設けられた流路を通過する流体から熱を回収して蓄熱する、それぞれ、異なる温度域に温度特性を持つ複数の蓄熱部と、
制御装置からの指示に従って動作し、前記流路への前記流体の流入を制御する開閉弁と、を備え、
前記発電プラントの前記起動時および前記停止時の少なくとも一方において発生する前記余剰熱エネルギが、流体の態様で、前記余剰熱エネルギの温度が属する温度域に温度特性を有する前記蓄熱部を最初に通過する前記流路に流入するよう、前記開閉弁の開閉を制御すること
を特徴とする発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法。 - 請求項20または21記載の発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法であって、
前記余剰エネルギは、余剰の電力エネルギである余剰電力エネルギを含み、
前記蓄熱装置は、内部に設けられた蓄熱部に、前記余剰電力エネルギにより加熱されるヒーターを備え、
前記発電プラントの予め定めた負荷を下回る給電指令を受信した場合、前記ヒーターを作動させるよう当該ヒーターを制御すること
を特徴とする発電プラントにおける余剰エネルギ蓄熱方法。
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