JP3803228B2

JP3803228B2 - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP3803228B2
Application number: JP2000145482A
Authority: JP
Inventors: 英俊高田; 伸彦鈴木; 聡渡辺; 博道渡辺; 誠一室山
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティファシリティーズ
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2001324101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱機関の排ガスを利用して蒸気ボイラから蒸気を発生するコージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱機関の排ガスを蒸気ボイラに取り込んで蒸気を発生するコージェネレーションシステムの例として、図３および図４に示すものがある。
【０００３】
まず、図３において、１は熱機関たとえばガスタービン発電装置で、ガスタービンの運転により電力を発生する。このガスタービン発電装置１の運転時、排ガスが発生し、それが流路２により排ガス蒸気ボイラ３に供給される。排ガス蒸気ボイラ３は、排ガスの熱エネルギを利用して蒸気を発生するもので、脱硝装置を含んでいる。この排ガス蒸気ボイラ３を経た排ガスは、エコノマイザ４および流路５を介して屋外に排出される。排ガス蒸気ボイラ３で発生した蒸気は、流路６により蒸気ヘッダ７に送られ、その蒸気ヘッダ７から負荷へと供給される。
【０００４】
図４の例では、熱機関として熱電可変型ガスタービン発電装置１０が設けられている。この熱電可変型ガスタービン発電装置１０の運転によって生じる排ガスが流路２により排ガス蒸気ボイラ３に供給される。排ガス蒸気ボイラ３を経た排ガスは、エコノマイザ４および流路５を介して屋外に排出される。排ガス蒸気ボイラ３で発生した蒸気は、流路６により蒸気ヘッダ７に送られるとともに、一部が流路６の中途部から流路８およびその流路８に設けられた流量調節弁９を介して熱電可変型ガスタービン発電装置１０に供給される。
【０００５】
流量調節弁９は、負荷における蒸気の使用量に応じて開度が制御される。この開度変化に応じて熱電可変型ガスタービン発電装置１０に対する蒸気供給量が変化し、その蒸気供給量に応じて熱電可変型ガスタービン発電装置１０の出力（発電電力）が変化する。この出力変化は、排ガス量の変化となって現われ、さらに排ガス蒸気ボイラ３での蒸気発生量の変化となって現われる。つまり、負荷の蒸気使用量に合わせて、排ガス蒸気ボイラ３での蒸気発生量を最適な状態に調節するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３のシステムでは、発電電力に応じて蒸気発生量が変化するため、電力需要及び蒸気使用量に応じて蒸気発生量を調節することが困難である。
【０００７】
これに対し、図４のシステムでは、蒸気発生量を負荷の蒸気使用量に応じて調節することが可能であるが、コストが高くてしかも構成が複雑な熱電可変型ガスタービン発電装置１０を用いなければならず、設備費の高騰および保守の複雑化を招くという問題がある。
【０００８】
この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的とするところは、設備費の高騰および保守の複雑化を招くことなく、蒸気発生量を負荷の蒸気使用量などに応じて最適な状態に調節することが可能なコージェネレーションシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のコージェネレーションシステムは、熱機関と、この熱機関の排ガスにより蒸気を発生する蒸気ボイラと、この蒸気ボイラに流入する排ガスを同蒸気ボイラの排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、上記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出圧力に応じて上記調節手段および上記熱機関の出力を制御する制御手段と、を備えている。とくに、調節手段は、開度可変のダンパである。制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値となるよう、先ずダンパの開度を変化させ、その開度変化が限度に達すると次に熱機関の出力を変化させる。
【００１４】
請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムは、熱機関と、この熱機関の排ガスにより蒸気を発生する蒸気ボイラと、この蒸気ボイラに流入する排ガスを同蒸気ボイラの排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、上記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出圧力に応じて上記調節手段および上記熱機関の出力を制御する制御手段と、を備えている。とくに、調節手段は、開度可変のダンパである。制御手段は、第１、第２、および第３の制御手段から成る。第１の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値を超えた場合、先ずダンパの開度を増大方向に変化させ、その開度増大が限度に達すると次に熱機関の出力を低減方向に変化させ、その出力低減が限度に達してしかも圧力検出手段の検出圧力が異常値に達したとき熱機関の運転を停止する。第２の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値を下回った場合、先ずダンパの開度を減少方向に変化させ、その開度減少が限度に達すると次に熱機関の出力を増大方向に変化させる。第３の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値と同じとき、そのときのダンパの開度および熱機関の出力を保持する。
【００１５】
請求項３に係る発明のコージェネレーションシステムは、熱機関と、この熱機関の排ガスが導かれる一次蒸発器、この一次蒸発器を経た排ガスに対し脱硝処理を行う脱硝装置、この脱硝装置を経た排ガスが導かれる二次蒸発器を有し、排ガスの熱エネルギを利用して一次蒸発器および二次蒸発器から蒸気を発生する蒸気ボイラと、上記二次蒸発器に流入する排ガスを同二次蒸発器の排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、上記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出圧力に応じて上記調節手段および上記熱機関の出力を制御する制御手段と、を備えている。とくに、調節手段は、開度可変のダンパである。制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値となるよう、先ずダンパの開度を変化させ、その開度変化が限度に達すると次に熱機関の出力を変化させる。
【００１６】
請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムは、熱機関と、この熱機関の排ガスが導かれる一次蒸発器、この一次蒸発器を経た排ガスに対し脱硝処理を行う脱硝装置、この脱硝装置を経た排ガスが導かれる二次蒸発器を有し、排ガスの熱エネルギを利用して一次蒸発器および二次蒸発器から蒸気を発生する蒸気ボイラと、上記二次蒸発器に流入する排ガスを同二次蒸発器の排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、上記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出圧力に応じて上記調節手段および上記熱機関の出力を制御する制御手段と、を備えている。とくに、調節手段は、開度可変のダンパである。制御手段は、第１、第２、および第３の制御手段から成る。第１の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値を超えた場合、先ずダンパの開度を増大方向に変化させ、その開度増大が限度に達すると次に熱機関の出力を低減方向に変化させ、その出力低減が限度に達してしかも圧力検出手段の検出圧力が異常値に達したとき熱機関の運転を停止する。第２の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値を下回った場合、先ずダンパの開度を減少方向に変化させ、その開度減少が限度に達すると次に熱機関の出力を増大方向に変化させる。第３の制御手段は、圧力検出手段の検出圧力が設定値と同じとき、そのときのダンパの開度および熱機関の出力を保持する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について説明する。
【００１９】
図１において、１１は熱機関たとえばガスタービン発電装置で、ガスタービンの運転により電力を発生する。このガスタービン発電装置１１の運転時、排ガスが発生し、それが排ガス流路１２を通って一次蒸発器１３に供給される。一次蒸発器１３は、排ガスの熱エネルギにより水を蒸発させる。この一次蒸発器１３を経た排ガスは、脱硝装置１４に供給される。脱硝装置１４は、排ガスに対してたとえば高温脱硝または中温脱硝の処理を行う。
【００２０】
脱硝方法には高温脱硝および中温脱硝のほかに超高温脱硝がある。脱硝装置１４のように高温脱硝または中温脱硝の処理を行う場合には、その温度条件を考慮して、脱硝装置１４の前段に一次蒸発器１３を介在させ、一次蒸発器１３での熱交換によって温度がある程度低下した状態の排ガスを脱硝装置１４に与えるようにしている。
【００２１】
脱硝装置１４を経た排ガスは、排ガス流路１５を通って二次蒸発器１６に供給される。二次蒸発器１６は、排ガスの熱エネルギにより水を蒸発させる。この二次蒸発器１６を経た排ガスは、エコノマイザ１７および排ガス流路１８を介して屋外に排出される。エコノマイザ１７は、システム効率を向上するため、ボイラ給水をあらかじめ排ガスにより加熱しておくためのものである。
【００２２】
一次蒸発器１３および二次蒸発器１６での水の蒸発によって生じる蒸気は、蒸気流路１９により蒸気ヘッダ２０に送られ、その蒸気ヘッダ２０から負荷へと供給される。
【００２３】
ここで、一次蒸発器１３、脱硝装置１４、排ガス流路１５、および二次蒸発器１６により、排ガス蒸気ボイラが構成されている。
【００２４】
そして、排ガス流路１５から排ガス流路１８にかけて、二次蒸発器１６に流入する排ガスをエコノマイザ１７の排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路２１が設けられている。さらに、バイパス回路２１の入口側に同バイパス回路２１への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段として、開度可変のダンパ２２が設けられている。なお、バイパス回路２１の出口側には、ダンパ２２の開度変化に連動するダンパ２３が設けられている。
【００２５】
ダンパ２２（および２３）が全閉していれば排ガス流路１５を流れる排ガスの全てが二次蒸発器１６に流入し、ダンパ２２（および２３）が開いてそれぞれの開度Qが増すほど、バイパス回路２１への排ガスの流入量が増えていき、それに相反して二次蒸発器１６への排ガス流入量が減少していく構成となっている。
【００２６】
一方、制御装置３０に、上記ガスタービン発電装置１１、ダンパ２２，２３、および圧力センサ（圧力検出手段）３１が接続されている。圧力センサ３１は、蒸気ヘッダ２０の近傍の蒸気流路１９に取り付けられ、蒸気流路１９内を通る蒸気の圧力Ｐを検出する。
【００２７】
制御装置３０は、圧力検出センサ３１の検出圧力Ｐに応じてダンパ２２，２３の開度Qおよびガスタービン発電装置１１の出力（発電電力W）を制御するもので、主要な機能として次の［１］〜［３］の手段を有する。
【００２８】
［１］圧力検出センサ３１の検出圧力Ｐが設定値Ｐｓを超えた場合（Ｐ＞Ｐｓ）、先ずダンパ２２，２３の開度Qを増大方向に変化させ、その開度増大が限度（全開；Q＝１００％）に達すると次にガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗを低減方向に変化させ、その出力低減が限度（設定値Ｗｓ；たとえば許容最低発電電力）に達してしかも検出圧力Ｐが異常値Ｐｘ（Ｐ≧Ｐｘ）に達したときにはガスタービン発電装置１１の運転を停止する第１の制御手段。なお、設定値Ｐｓについては、固定であっても、季節や時間帯に応じて可変であっても、そのいずれでもよく、負荷の蒸気使用状況などに応じて適宜に選定すればよい。
【００２９】
［２］検出圧力Ｐが設定値Ｐｓを下回った場合（Ｐ＜Ｐｓ）、先ずダンパ２２，２３の開度Qを減少方向に変化させ、その開度減少が限度（全閉；Q＝０％）に達すると次にガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗを増大方向に変化させる第２の制御手段。
【００３０】
［３］検出圧力Ｐが設定値Ｐｓと同じとき、そのときのダンパ２２，２３の開度Ｑおよびガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗを保持する第３の制御手段。
【００３１】
つぎに、上記の構成の作用について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
まず、ガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗを定格値一定に制御したり、ガスタービン発電装置１１が複数台設置されている場合はその運転台数を制御するなど、いわゆる通常制御が実行される（ステップ１０１）。
【００３３】
ガスタービン発電装置１１の運転によって生じる排ガスは、排ガス流路１２を通って排ガス蒸気ボイラの一次蒸発器１３に供給される。これにより、一次蒸発器１３から蒸気が発生し、その蒸気が蒸気流路１９を通って蒸気ヘッダ２０に供給される。
【００３４】
一次蒸発器１３を経た排ガスは脱硝装置１４および排ガス流路１５を通って二次蒸発器１６に供給される。これにより、二次蒸発器１６から蒸気が発生し、その蒸気が蒸気流路１９を通って蒸気ヘッダ２０に供給される。二次蒸発器１６を経た排ガスは、エコノマイザ１７および排ガス流路１８を介して屋外に排出される。
【００３５】
蒸気流路１９から蒸気ボイラ２０へと流れる蒸気の圧力Ｐが圧力検出センサ３１で検出されるとともに（ステップ１０２）、バイパス回路２１におけるダンパ２２（および２３）の開度Ｑが判定される（ステップ１０３）。さらに、ガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗが判定される（ステップ１０４）。
【００３６】
圧力検出センサ３１の検出圧力Ｐが設定値Ｐｓを超えた場合（Ｐ＞Ｐｓ；ステップ１０５のＹＥＳ）、ダンパ２２（および２３）が全開（Q＝１００％）していなければ（ステップ１０６のＮＯ）、ダンパ２２（および２３）が開かれてその開度Qが所定値ずつ増大される（ステップ１０７）。これにより、排ガス流路１５を通る排ガスの一部がバイパス回路２１に流入し、その流入分だけ、二次蒸発器１６への排ガス流入量が減少し、二次蒸発器１６の蒸気発生量が抑制される。
【００３７】
検出圧力Ｐが設定値Ｐｓまで低下しないまま（ステップ１０５のＹＥＳ）、ダンパ２２（および２３）の開度Qが全開（Q＝１００％）した場合には（ステップ１０６のＹＥＳ）、ガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗが設定値Ｗｓまで低減されていないことを条件に（ステップ１０８のＮＯ）、その発電電力Ｗが所定値ずつ低減される（ステップ１０９）。発電電力が低減されると、ガスタービン発電装置１１から発生する排ガスの量が減少し、それに伴い、一次蒸発器１３および二次蒸発器１６の蒸気発生量が減少する。
【００３８】
仮に、発電電力Ｗが設定値Ｗｓまで低減されて（ステップ１０８のＹＥＳ）、それにもかかわらず、検出圧力Ｐが異常値Ｐｘ（Ｐ≧Ｐｘ）に達した場合には（ステップ１１０のＹＥＳ）、安全のために、ガスタービン発電装置１１の運転（発電）が停止される（ステップ１１１）。
【００３９】
一方、検出圧力Ｐが設定値Ｐｓを下回った場合には（Ｐ＜Ｐｓ；ステップ１０５のＮＯ、ステップ１１２のＹＥＳ）、ダンパ２２（および２３）が全閉（Q＝０％）していなければ（ステップ１１３のＮＯ）、ダンパ２２（および２３）の開度Qが所定値ずつ減少される（ステップ１１４）。これにより、バイパス回路２１への排ガス流入量が減少し、その減少分だけ、二次蒸発器１６への排ガス流入量が増え、二次蒸発器１６の蒸気発生量が増大する。
【００４０】
検出圧力Ｐが設定値Ｐｓまで上昇しないまま（ステップ１０５のＮＯ、ステップ１１２のＹＥＳ）、ダンパ２２（および２３）が全閉（Q＝０％）した場合には（ステップ１１３のＹＥＳ）、しかもガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗが最大値（１００％）に達していなければ（ステップ１１５のＮＯ）、発電電力Ｗが所定値ずつ増大される（ステップ１１６）。発電電力が増大されると、ガスタービン発電装置１１から発生する排ガスの量が増大し、それに伴い、一次蒸発器１３および二次蒸発器１６の蒸気発生量が増大する。発電電力Ｗが最大値（１００％）または電力需要に達した場合には（ステップ１１５のＹＥＳ）、それ以上の制御については通常制御に依存する形となる（ステップ１０１）。
【００４１】
検出圧力Ｐが設定値Ｐｓに一致した場合には（Ｐ＝Ｐｓ；ステップ１０５のＮＯ、ステップ１１２のＮＯ）、そのときのダンパ２２（および２３）の開度Ｑおよびガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗがそのまま保持される（ステップ１１７）。
【００４２】
以上のように、蒸気圧力Ｐに応じて一次蒸発器１６への排ガス流入量を制御することにより、しかもその制御手段として、バイパス回路２１およびダンパ２２，２３を用いるだけの簡単な構成であるから、従来のようにコストが高くて構成が複雑な熱電可変型ガスタービン発電装置を用いる必要なく、よって設備費の高騰および保守の複雑化を招くことなく、蒸気発生量を負荷の蒸気使用量などに応じて最適な状態に調節することができる。
【００４３】
さらに、排ガス流入量の制御に加え、必要に応じてガスタービン発電装置１１の発電電力Ｗを制御する二段構えの制御体制をとっているので、蒸気発生量の調節が確実であり、高い信頼性を確保することができる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、排ガス蒸気ボイラが一次蒸発器１３および二次蒸発器１６を有する場合について説明したが、排ガス蒸気ボイラの脱硝装置１４が超高温脱硝を行うものであれば、排ガス蒸気ボイラとして、一次蒸発器１３が無い構成（ガスタービン発電装置１１の排ガスを脱硝装置１４に直接的に取り込む構成）のものを採用してもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、熱機関としては、ガスタービン発電装置１１に限らず、排ガスを発生するものであれば、他の装置を用いてもよい。
【００４６】
その他、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、設備費の高騰および保守の複雑化を招くことなく、蒸気発生量を負荷の蒸気使用量などに応じて最適な状態に調節することが可能なコージェネレーションシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の構成を示す図。
【図２】同実施形態の作用を説明するためのフローチャート。
【図３】従来システムの一例を示す図。
【図４】従来システムの他の例を示す図。
【符号の説明】
１１…ガスタービン発電装置（熱機関）、１２…排ガス流路、１３…一次蒸発器、１４…脱硝装置、１５…第１の排ガス流路、１６…二次蒸発器、１７…エコノマイザ、１８…第２の排ガス流路、１９…蒸気流路、２０…蒸気ヘッダ、３０…制御装置、３１…圧力センサ（圧力検出手段）

Claims

熱機関と、
この熱機関の排ガスにより蒸気を発生する蒸気ボイラと、
この蒸気ボイラに流入する排ガスを同蒸気ボイラの排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、
このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、
前記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段の検出圧力に応じて前記調節手段および前記熱機関の出力を制御する制御手段と、
を具備し、
前記調節手段は、開度可変のダンパである、
前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力が設定値となるよう、先ず前記ダンパの開度を変化させ、その開度変化が限度に達すると次に前記熱機関の出力を変化させる、
ことを特徴とするコージェネレーションシステム。
熱機関と、
この熱機関の排ガスにより蒸気を発生する蒸気ボイラと、
この蒸気ボイラに流入する排ガスを同蒸気ボイラの排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、
このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、
前記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段の検出圧力に応じて前記調節手段および前記熱機関の出力を制御する制御手段と、
を具備し、
前記調節手段は、開度可変のダンパである、
前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力が設定値を超えた場合、先ず前記ダンパの開度を増大方向に変化させ、その開度増大が限度に達すると次に前記熱機関の出力を低減方向に変化させ、その出力低減が限度に達してしかも前記圧力検出手段の検出圧力が異常値に達したとき前記熱機関の運転を停止する第１の制御手段と、前記圧力検出手段の検出圧力が前記設定値を下回った場合、先ず前記ダンパの開度を減少方向に変化させ、その開度減少が限度に達すると次に前記熱機関の出力を増大方向に変化させる第２の制御手段と、前記圧力検出手段の検出圧力が前記設定値と同じとき、そのときの前記ダンパの開度および前記熱機関の出力を保持する第３の制御手段とから成る、
ことを特徴とするコージェネレーションシステム。
熱機関と、
この熱機関の排ガスが導かれる一次蒸発器、この一次蒸発器を経た排ガスに対し脱硝処理を行う脱硝装置、この脱硝装置を経た排ガスが導かれる二次蒸発器を有し、排ガスの熱エネルギを利用して一次蒸発器および二次蒸発器から蒸気を発生する蒸気ボイラと、
前記二次蒸発器に流入する排ガスを同二次蒸発器の排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、
このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、
前記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段の検出圧力に応じて前記調節手段および前記熱機関の出力を制御する制御手段と、
を具備し、
前記調節手段は、開度可変のダンパである、
前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力が設定値となるよう、先ず前記ダンパの開度を変化させ、その開度変化が限度に達すると次に前記熱機関の出力を変化させる、
ことを特徴とするコージェネレーションシステム。
熱機関と、
この熱機関の排ガスが導かれる一次蒸発器、この一次蒸発器を経た排ガスに対し脱硝処理を行う脱硝装置、この脱硝装置を経た排ガスが導かれる二次蒸発器を有し、排ガスの熱エネルギを利用して一次蒸発器および二次蒸発器から蒸気を発生する蒸気ボイラと、
前記二次蒸発器に流入する排ガスを同二次蒸発器の排ガス流出側にバイパスするためのバイパス回路と、
このバイパス回路への排ガスの流入およびその量を調節するための調節手段と、
前記蒸気ボイラから発生する蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段の検出圧力に応じて前記調節手段および前記熱機関の出力を制御する制御手段と、
を具備し、
前記調節手段は、開度可変のダンパである、
前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力が設定値を超えた場合、先ず前記ダンパの開度を増大方向に変化させ、その開度増大が限度に達すると次に前記熱機関の出力を低減方向に変化させ、その出力低減が限度に達してしかも前記圧力検出手段の検出圧力が異常値に達したとき前記熱機関の運転を停止する第１の制御手段と、前記圧力検出手段の検出圧力が前記設定値を下回った場合、先ず前記ダンパの開度を減少方向に変化させ、その開度減少が限度に達すると次に前記熱機関の出力を増大方向に変化させる第２の制御手段と、前記圧力検出手段の検出圧力が前記設定値と同じとき、そのときの前記ダンパの開度および前記熱機関の出力を保持する第３の制御手段とから成る、
ことを特徴とするコージェネレーションシステム。