JP3624144B2 - 蒸気タービンを利用した熱回収システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンを備えた熱回収システムに係り、特に、蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を吸収式冷凍機の熱源に用いるのに好適な熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排熱回収システムは、特開平５−２９６００９号公報に記載のように、蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を吸収式冷凍機の再生器に導いていた。そして、蒸気タービンの復水器から出た冷却排水を熱源水として、復水器と冷凍機の蒸発器との間に配管した熱源水循環ラインを通じて熱源水を蒸発器に通水し、冷凍機をヒートポンプ運転して凝縮器より暖房用温水を得るようにしている。さらに、熱源水循環ラインに対し、熱源水の一部を循環ラインの途中から冷却塔を経由して復水器に戻すバイパスラインを備え、暖房負荷の変動に対応して蒸発器に流す熱源水の通水量とバイパスラインへ分流する通水量との割合を調整していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の排熱回収システムでは、暖房負荷に応じて蒸発器に流す熱源水量とバイパスラインの分流量とを調整しているので、暖房負荷の変動や復水器の負荷変動にも容易に対応できるという利点を有するものの、特に夏季において顕著である冷房負荷の変動に対しては十分に考慮されていない。冷房負荷は吸収式冷凍機の冷房能力で対応できるが、この冷房能力を制御することについてはこの公報には何等開示がない。
【０００４】
また、「省エネルギー機器辞典」第４００頁に、蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を吸収式冷凍機の再生器に導くことが開示されている。このシステムにおいては、蒸気タービンからの抽気蒸気は、一定圧力で吸収式冷凍機に供給されている。吸収式冷凍機では、部分負荷時に必要な蒸気圧力は定格負荷時に比べて低いので、一定圧力で吸収式冷凍機に抽気蒸気を導くことは省エネルギーの観点からは不利である。何故ならば、抽気蒸気の圧力を下げると蒸気タービン前段の蒸気の膨張率が大きくなり、蒸気タービンの出力が増加するからである。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は吸収式冷凍機の冷房負荷に応じて吸収式冷凍機の熱入力を変化させることにより、熱回収システムのエネルギー効率を高めることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を吸収式冷凍機の再生器の熱源に用いる熱回収システムであって、抽気の圧力を可変にする圧力可変手段と、吸収式冷凍機の負荷を検出する負荷検出手段とを有し、負荷検出手段が検出した吸収式冷凍機の負荷に応じて圧力可変手段を用いて抽気圧力を変化させる制御装置を設けるものである。
【０００７】
そして上記特徴において、圧力可変手段は、蒸気タービンの抽気管から分岐した分岐管に介在した制御弁であり、分岐管は抽気管から抽気した抽気ガスの一部を蒸気タービンに戻すように接続されていることが望ましい。
【０００８】
また、負荷検出手段は、吸収式冷凍機が有する吸収器内を流通する冷却水の入口温度を検出する温度検出手段または吸収式冷凍機が有する蒸発器内を流通する冷水の入口温度を検出する温度検出手段であり、このいずれかの温度検出手段が検出した温度が低いときは抽気圧力を低く、この温度検出手段が検出した温度が高いときは抽気圧力を高く制御装置が制御するものが好ましい。
【０００９】
さらに、抽気管と吸収式冷凍機との間に蒸気ヘッダを設け、この排熱回収システムが設置される機場に蒸気を供給する供給配管を蒸気ヘッダに接続してもよい。
【００１０】
また、負荷検出手段は、吸収式冷凍機が有する高温再生器に流入する抽気ガスの圧力を検出する再生器入力圧力検出手段であり、この再生器入力圧力検出手段の上流側に蒸気制御弁を設け、制御手段は再生器入力圧力検出手段が検出した圧力に応じて蒸気制御弁と圧力可変手段の少なくともいずれかを制御するようにしてもよい。
【００１１】
また、抽気管と吸収式冷凍機との間に蒸気ヘッダを、この蒸気ヘッダの上流側に抽気ガスの圧力を検出する抽気ガス圧力検出手段とを設け、制御装置は再生器入力圧力検出手段が検出した圧力と抽気ガス圧力検出手段が検出した圧力の差が一定になるように蒸気制御弁と圧力可変手段の少なくともいずれかを制御してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱回収システムのいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、熱回収システムの一実施例のシステムフロー図である。熱回収システムは、蒸気タービンＢと、この蒸気タービンＢの中間段から抽気した蒸気を熱源とする吸収式冷凍機Ｃを主な構成要素として有している。
【００１３】
ボイラで代表される蒸気供給装置Ａで発生した蒸気は、蒸気配管１を経て蒸気タービンＢに導かれる。蒸気タービンＢの出力軸には、発電機２４が図示しないカップリングを介して接続されている。蒸気タービンＢは前段側と後段側とから構成されている。
【００１４】
前段側と後段側の間に、蒸気タービン外に蒸気を導く抽気用の蒸気配管２が設けられており、この蒸気配管２を介して蒸気タービンＢに導かれた蒸気の一部が、蒸気ヘッダ９に導かれている。抽気用の蒸気配管２の途中から、蒸気タービンＢから抽気した蒸気を蒸気タービンＢの後段側に戻す配管２ｂが分岐している。分岐配管２ｂには、順に圧力検出器３５と蒸気制御弁３が設けられている。
【００１５】
蒸気タービンＢで降圧した蒸気は、蒸気配管５を介して復水器２３に導かれる。復水器２３には冷却水往き配管６から導かれた冷却水が流通しており、蒸気配管５から導かれた蒸気と熱交換して温度上昇し、冷却水戻り配管７から図示しないクーリングタワー等の冷却装置へ導かれる。復水器２３で凝縮した水は、復水配管８中に介在させた復水ポンプ２１により、加圧されてホットウエルタンク１３に送られる。
【００１６】
蒸気ヘッダ９に導かれた抽気蒸気の一部は、蒸気タービン発電設備で発電された電力が供給されるプロセスへ蒸気配管１０を介して導かれる。この蒸気配管１０の途中には、プロセスへ供給する蒸気の量を制御する蒸気制御弁３３と、蒸気の圧力を検出する圧力検出器３１が設けられている。そして、プロセスが必要とする一定の圧力蒸気が、圧力検出器３１が検出した圧力信号に基づいて、圧力調整器３２が蒸気制御弁３３を制御して供給される。蒸気ヘッダ９に導かれた抽気蒸気の残りは、蒸気配管１１を介して吸収式冷凍機Ｃの再生器または高温再生器Ｃａに、熱源として供給される。蒸気配管１１の途中には、蒸気制御弁３０が設けられている。吸収式冷凍機Ｃの再生器または高温再生器Ｃaで冷媒蒸気を加熱して凝縮した抽気蒸気は、ホットウエルタンク１３に送られる。
【００１７】
ホットウエルタンク１３に送られ復水器２３で凝縮した復水と、吸収式冷凍機Ｃを加熱して凝縮した復水とは、ボイラ給水ポンプ１４で加圧されて、給水配管１５を経て蒸気供給装置Ａへ導かれる。そして、蒸気供給装置Ａに導かれた加圧水は、蒸気タービンＢとホットウエルタンク１３とこの蒸気供給装置Ａとの間を循環する。
【００１８】
吸収式冷凍機Ｃが備える吸収器及び凝縮器内を流通する冷媒や溶液を冷却する冷却水のために冷却水配管２５、２６が設けられている。また、吸収式冷凍機Ｃが備える蒸発器内を流通する冷水のために、冷水配管１６、１７も設けられている。そして、冷却水配管の入口側配管２５には、この冷却水の入口温度を検出する入口温度検出器２８が取付けられている。同様に、冷水配管の入口側配管１６には、冷水の入口温度を検出する冷水入口温度検出器１８が設けられている。冷却水は吸収式冷凍機Ｃで熱交換して温度上昇したのち、冷却水ポンプ２９により冷却水配管２６を経てクーリングタワー３４へ送られる。そしてクーリングタワー３４で冷却された後、再び吸収式冷凍機を冷却する。一方、空調負荷に供される冷水は、蒸発器で冷却されて冷熱源となって、冷水ポンプ２２により空調負荷へと送られ、温度上昇して冷水配管１６から蒸発器へと送られる。
【００１９】
冷水入口温度検出器１８が検出した冷水入口温度は、温度調節計１９を経て制御演算装置２０に入力される。同様に、冷却水入口温度検出器２８が検出した冷却水入口温度は、温度調節計２９を経て制御演算装置２０へ入力される。この制御演算装置２０には、圧力検出器３５が検出した蒸気タービンＢから抽気された蒸気の圧力も圧力調整計３６を介して入力されている。温度調節計１９、２９、圧力調整計３６、制御演算装置２０およびこれらを結ぶ信号配線が制御装置Ｄを構成している。
【００２０】
このように構成した本実施例の作用を、以下に説明する。
吸収式冷凍機に要求される空調負荷は、季節により大幅に変化する。例えば、夏季では冷房負荷が大きくなるが、中間期である秋や春には冷房負荷はそれほど多くない。したがってこれらの中間期では吸収式冷凍機を部分負荷で運転する。部分負荷時には、冷却水温度が低下しており、吸収溶液の沸騰温度が下がる。その結果、吸収式冷凍機Ｃに送られる抽気蒸気との温度差が大きくなる。そこで、吸収式冷凍機Ｃに入力される熱源容量を、低下させる。
【００２１】
具体的には、全負荷時に吸収式冷凍機を加熱する抽気蒸気の圧力及び温度は、0.8MPa、175℃であるが、部分負荷時にはプロセスで必要な圧力及び温度レベルである0.5MPa、160℃程度まで圧力と温度を制御装置Ｄが低下させる。制御装置Ｄは、蒸気ヘッダ９の圧力を低下させるときは、蒸気制御弁３を開くように指令する。蒸気制御弁３が開かれると蒸気圧力が低下し、吸収冷凍機Ｃで必要な蒸気量が再生器又は高温再生器Ｃａ内で凝縮できる値に蒸気ヘッダ9内の抽気蒸気圧力がバランスする。
【００２２】
吸収式冷凍機の必要蒸気圧力が冷却水温度により変化する様子を図２に示す。吸収式冷凍機の負荷率を横軸に示す。負荷が減少するにつれて、必要蒸気圧力も低下する。そして、負荷率が同じであっても冷却水温度が低下すれば、必要蒸気圧力が低下することが分かる。
【００２３】
これより、蒸気制御弁３０の１次側圧力を従来のように一定に制御する必要はなく、吸収式冷凍機の負荷率と冷却水温度とに応じて変化させる事が望ましいことが図２から知られる。そして、蒸気制御弁３０の２次側は、負荷及び冷却水温度から求められた必要蒸気圧力だけあればよく、蒸気制御弁３０の１次側は、蒸気制御弁３０を全開した時に必要な１次側と２次側の差圧分だけ２次側の圧力より大きければよい。蒸気制御弁３０の１次側、２次側の圧力をこのように設定すれば、吸収式冷凍機Ｃは必要な冷凍容量を発生できる。また、蒸気制御弁３０の１次側圧力を２次側の圧力に近づければ、蒸気タービンＢの抽気圧力を低下させることも可能となる。
空調負荷が低下し冷水入口温度検出器１８で検出する冷水入口温度が低下したときには、吸収式冷凍機Ｃから冷水需要先に送られる冷水の出口温度を許容範囲内の最も高い温度になるように冷水温度を制御する。そして、吸収式冷凍機Ｃへの蒸気供給圧をできるだけ下げるようにする。このようにすれば、抽気量が低減するので、蒸気タービンＢの発電出力を増大できる。
【００２４】
なお、吸収式冷凍機Ｃに供給する抽気蒸気の圧力を必要最低圧力とするため、冷却水入口温度検出器２８が検出した温度が吸収式冷凍機Ｃの予め定めた冷却水入口温度の定格値より低くなったら、温度調節計２９が吸収式冷凍機に導かれる蒸気の圧力を減少させるよう制御演算装置２０に信号を出力する。また、冷水入口温度検出器１８が検出した冷水温度が、吸収式冷凍機Ｃの予め定めた冷水入口温度の定格値より低くなった時も同様に、温度調節計１９が吸収式冷凍機Ｃの再生器Ｃａを加熱する蒸気の圧力を減少させる制御演算装置２０へ信号を出力する。制御演算装置２０にこれら２つの少なくともいずれかの信号が入力されたら、制御演算装置は、圧力調整計３６の設定値を下げ、蒸気制御弁３を開く。そして、吸収式冷凍機Ｃの再生器を加熱する蒸気の圧力を低下させる。
【００２５】
一方、空調負荷が大きい場合には、蒸気タービンＢの抽気圧力を高くする。そして、蒸気配管２、蒸気ヘッダ９および蒸気配管１１をへて吸収式冷凍機Ｃへ流入する蒸気量を増し、吸収式冷凍機Ｃの負荷を大にする。この場合、抽気量が増えるので、発電機２４で得られる電力は減少するが、空調負荷へ回す蒸気量を減らして、空調機器を新たに付加するよりはトータルのエネルギーが少なくて済む利点がある。
【００２６】
本発明の他の実施例を図３に示す。本実施例が上記図１に示した実施例と異なるのは、蒸気タービンＢからの抽気量を、吸収式冷凍機Ｃの再生器を加熱する蒸気圧力で制御している点である。その他の構成は、図１に示した実施例と同様である。
【００２７】
吸収式冷凍機Ｃの再生器または高温再生器Ｃａの加熱源である抽気蒸気の入口圧力を検出する圧力検出器２８ｂが、再生器または高温再生器Ｃａの入口側に取付けられている。圧力検出器２８ｂが検出した圧力は、圧力調整計２９ｂを経て制御演算装置２０ｂに入力される。この制御演算装置２０ｂには、圧力検出器１８が検出した蒸気タービンＢの抽気圧力も圧力調整計１９を介して入力されている。圧力調整計１９、２９ｂ、制御演算装置２０ｂ、およびこれらを結ぶ信号配線等で制御装置２０ｂが構成されている。
【００２８】
部分負荷時には、吸収式冷凍機Ｂへの蒸気供給圧力を必要最低圧力にして、発電機での発電量をできるだけ多くする。圧力検出器２８ｂが検出した再生器または高温再生器Ｃａの加熱蒸気の入口圧力が、予め定めた加熱蒸気の入口圧力の定格値より低くなると、圧力調節計２９ｂは加熱蒸気の圧力を減少させる指令を出す。制御演算装置２０ｂは、圧力検出器１８が検出した圧力と圧力検出器２８ｂが検出した圧力との差が一定となるように、蒸気制御弁３を開くよう制御する。その結果、吸収式冷凍機Ｃの再生器または高温再生器Ｃａの加熱蒸気圧力が低下して、吸収式冷凍機Ｃを部分負荷で運転可能になる。
【００２９】
本発明における吸収式冷凍機Ｃの負荷率に対する発電出力の変化を、図４に示す。この図４では、従来の熱回収システムをも併せて示す。従来のシステムでは、吸収式冷凍機の負荷率が下がっても蒸気タービンの抽気圧力を一定にしていたので、負荷率が低いときに発電用に回す蒸気量を増大させることができず、全負荷時に対する発電出力の増加量が小さい。これに対し、本発明によれば部分負荷時には発電用に回す蒸気量を増すので、全負荷時に対する発電出力の増加量が大である。つまり、蒸気タービンＢの抽気圧力を冷水負荷に応じて変化させることが可能であり、部分負荷時に有効に発電機２４の出力として熱を回収できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、吸収式冷凍機の負荷に応じて吸収式冷凍機に供給する蒸気タービンの抽気蒸気圧力を制御したので、熱回収システムを高効率で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱回収システムの一実施例のシステムフロー図。
【図２】図１に示した熱回収システムに用いられる吸収式冷凍機の特性を説明する図。
【図３】本発明に係る熱回収システムの他の実施例のシステムフロー図。
【図４】本発明に係る熱回収システムに用いられる吸収式冷凍機と蒸気タービンの特性を説明する図。
【符号の説明】
３・・・蒸気制御弁、９・・・蒸気ヘッダ、１３・・・ホットウェルタンク、１４・・・ボイラ給水ポンプ、１８・・・冷水入口温度検出端、１９・・・温度調節計、２０・・・制御用演算器、２１・・・復水ポンプ、２２・・・冷水ポンプ、２３・・・復水器、２４・・・発電機、２７・・・冷却水ポンプ、２８・・・冷却水温度入口温度検出端、２９・・・温度調節計、３０・・・蒸気制御弁、３１・・・圧力検出器、３２・・・圧力調節計、３３・・・蒸気制御弁、３４・・・冷却塔、３５・・・圧力検出器、３６・・・圧力調節計、Ａ・・・蒸気供給装置、Ｂ・・・抽気復水式蒸気タービン、Ｃ・・・吸収式冷凍機、Ｄ・・・制御装置。

Claims (5)

1. 蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を吸収式冷凍機の再生器の熱源に用いる熱回収システムであって、前記抽気の圧力を可変にするために、前記蒸気タービンの抽気管から分岐した分岐管に介在した制御弁からなり、前記分岐管は抽気管から抽気した抽気蒸気の一部を前記蒸気タービンに戻すように接続した圧力可変手段と、前記吸収式冷凍機の負荷を検出する負荷検出手段とを有し、前記負荷検出手段が検出した吸収式冷凍機の負荷に応じて前記圧力可変手段を用いて抽気圧力を変化させる制御装置を設け、たことを特徴とする熱回収システム。
2. 前記負荷検出手段は、吸収式冷凍機が有する吸収器内を流通する冷却水の入口温度を検出する温度検出手段または吸収式冷凍機が有する蒸発器内を流通する冷水の入口温度を検出する温度検出手段であり、このいずれかの温度検出手段が検出した温度が低いときは前記抽気圧力を低く、この温度検出手段が検出した温度が高いときは前記抽気圧力を高く前記制御装置が制御することを特徴とする請求項1に記載の熱回収システム。
3. 前記抽気管と前記吸収式冷凍機との間に蒸気ヘッダを設け、この排熱回収システムが設置される機場に蒸気を供給する供給配管を前記蒸気ヘッダに接続したことを特徴とする請求項1または２に記載の熱回収システム。
4. 前記負荷検出手段は、前記吸収式冷凍機が有する高温再生器に流入する抽気蒸気の圧力を検出する再生器入力圧力検出手段であり、この再生器入力圧力検出手段の上流側に蒸気制御弁を設け、前記制御手段は再生器入力圧力検出手段が検出した圧力に応じて前記蒸気制御弁と前記圧力可変手段の少なくともいずれかを制御することを特徴とする請求項３に記載の熱回収システム。
5. 前記抽気管と前記吸収式冷凍機との間に蒸気ヘッダを、この蒸気ヘッダの上流側に抽気蒸気の圧力を検出する抽気蒸気圧力検出手段とを設け、前記制御装置は前記再生器入力圧力検出手段が検出した圧力と前記抽気蒸気圧力検出手段が検出した圧力の差が一定になるように前記蒸気制御弁と前記圧力可変手段の少なくともいずれかを制御することを特徴とする請求項４に記載の熱回収システム。

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