JP4089187B2 - 熱電供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電供給システムに関し、特にガスタービン発電機で発電すると共に、その排熱を回収して熱駆動式冷凍機を駆動し、ガスタービンの吸気冷却と空気調和機の冷熱源として利用するものに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電供給システムとして、蒸気タービン発電機の排熱エネルギを一層効率的に回収かつ蓄熱するために、燃料ガス（液体または気体燃料）を用いてガスタービン発電機で発電すると共に、その排ガスで蒸気を発生させるための排ガスボイラと、排ガスボイラの蒸気で駆動される蒸気タービン発電機と、蒸気タービン発電機から排出される蒸気で駆動されるアンモニア吸収式冷凍機と、アンモニア吸収式冷凍機の冷熱を蓄える凍結可能な蓄熱材を収容した蓄熱槽とを設け、これに蒸気タービン発電機から排出される蒸気で駆動される吸収式冷凍機と、吸収式冷凍機で発生した冷水でガスタービンの吸気を冷却するための吸気冷却器を併設することが知られ、例えば特開２００１−５００１２号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱電供給システムでは、電力負荷の増加に対応してガスタービンの出力を増加させるとガスタービンの排熱も増加して、それを利用して駆動される熱駆動式冷凍機（アンモニア吸収式冷凍機）の出力が過大となる。一方、電力負荷が減少した場合や空気調和機の負荷が増加した場合には、ガスタービンの出力は電力負荷で制御されているため、ガスタービンの排熱が相対的に減少して熱駆動式冷凍機の能力が不足し、空気調和機の負荷に対応できない。
また、アンモニア吸収式冷凍機では、高温排熱を利用すると再生器内の圧力が高くなり、二重効用サイクルを構成できないので冷凍機の成績係数を向上できない。そして、水・臭化リチューム系の吸収式冷凍機を使用すると、蒸発温度を０℃以下にできないので氷蓄熱ができず、蓄熱槽が大型化する。
【０００４】
さらに、ガスタービンの効率を向上させるため排熱温度を低下させると、吸収式冷凍機の運転ができなくなるので、空気調和機の冷房運転ができなくなる。
本発明の目的は上記課題を解決し、電力負荷と空気調和機の負荷変動に過不足なく対応し、熱電需給のアンバランスを解消し、システムの熱効率も向上した熱電供給システムを提供することにある。なお、本発明は上記課題のうち少なくとも１つを解決するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、ガスタービン発電機の排熱を利用して冷凍機を駆動し、冷凍機による冷熱を前記ガスタービン発電機の吸気冷却と空気調和機の冷熱源とする熱電供給システムにおいて、前記冷凍機による冷熱を蓄熱する蓄熱槽と、前記ガスタービン発電機による電気を蓄電する蓄電器と、前記ガスタービン発電機を駆動する燃料の供給を行なう燃料供給装置と、を備え、前記ガスタービン発電機の電力負荷と前記空気調和機の負荷とを検出し、前記ガスタービン発電機の能力が不足し、前記空気調和機の能力に余剰があると判断される場合は、前記吸気冷却を行い、前記蓄熱及び蓄電を停止し、前記空気調和機の能力が不足し、前記ガスタービン発電機の能力に余剰があると判断される場合は、前記燃料供給装置から供給する燃料の供給を維持し、前記蓄電を行い、前記吸気冷却及び蓄熱は停止し、前記空気調和機及び前記ガスタービン発電機の能力に余剰があると判断される場合は、前記蓄熱及び蓄電を行い、前記吸気冷却は停止し、前記空気調和機及び前記ガスタービン発電機の能力が不足すると判断される場合は、前記蓄熱及び蓄電は停止し、前記吸気冷却は前記蓄熱を利用するものである。
【０００６】
これにより、電力負荷が増加してガスタービンの出力を増加させる必要がある場合、空気調和機の負荷が小さいときには、冷凍機の冷熱でガスタービンの吸気を冷却してタービンの出力を増加させ、さらに排熱が余る場合には冷凍機の余剰冷凍能力を蓄熱槽に蓄えることが可能となる。よって、電力が余剰の場合にはガスタービンの出力を低下させることなく、余剰電力を蓄電器に蓄えることができ、冷凍機の能力は低下せずに空気調和機の負荷に対応できる。そして、電力負荷と空気調和機の負荷変動に過不足なく対応し、熱電需給のアンバランスを解消し、システムの熱効率を向上できる。
【０００７】
また、上記のものにおいて、冷凍機で冷却した冷水とガスタービン吸気との熱交換を水・空気熱交換器で行なうことが望ましい。
【０００８】
さらに、上記のものにおいて、冷凍機で冷却した冷水を噴霧することでガスタービンの吸気を冷却することが望ましい。
【０００９】
さらに、上記のものにおいて、冷凍機は、水・臭化リチューム系の吸収式冷凍機であることが望ましい。これにより、二重効用サイクルを構成できるので冷凍機の成績係数を向上できる。
【００１０】
さらに、上記のものにおいて、冷凍機は、再生可能な吸着剤を用いた吸着式冷凍機であることが望ましい。これにより、ガスタービンの効率を向上させて排熱温度を低下させても、冷凍機を運転できるので空気調和機の冷房運転も可能となる。
【００１１】
さらに、上記のものにおいて、冷凍機は、吸収式冷凍機及び前記吸収式冷凍機を駆動した後の排熱で駆動される吸着式冷凍機であることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、冷凍機による蓄熱は、融解温度が０℃以上の潜熱蓄熱材を使用したことが望ましい。これにより、蓄熱槽を小型化できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、一実施の形態による熱電供給システムを示し、吸気冷却器１０で冷却された外気は圧縮機１で圧縮・昇圧された後、燃焼器２に送られる。燃焼器２では燃料供給装置５から供給された燃料がこの高圧空気と混合して燃焼し高圧・高温ガスとなる。この高温・高圧ガスはタービン３内で膨張する際タービン３を回転させ、圧縮機１と発電機４を駆動する。タービン３から排出される排気ガスの温度は５００〜６００℃前後であり、排熱回収熱交換器９で熱を回収された後、大気に放出される。排熱回収熱交換器９で回収された熱は、熱駆動式冷凍機７の駆動熱源として利用され冷熱を発生する。
【００１３】
熱駆動式冷凍機７で発生した冷熱は、空気調和機（図示せず）の負荷や発電機４の電力負荷に応じて三方弁11ａ、11ｂ及び12ａ、12ｂを切替えることにより、冷水として空気調和機に搬送され冷房に使用、吸気冷却器１０に搬送されガスタービンの吸気を冷却、または蓄熱槽８に蓄えられる。また、発電機４で発電された電力は電力負荷の状況に応じて蓄電器６に蓄電される。
【００１４】
以上の運転切り換えは、表１に示す電力負荷と空気調和機の負荷に応じて以下の手順で実行される。
【００１５】
【表１】

【００１６】
電力負荷が増加し、発電能力（タービンの駆動動力）が不足してくると発電機４の回転速度が低下する。そこで、コントローラ１４は回転速度の低下を検出して燃料供給装置５へ燃料供給量の増加信号を発信する。電力負荷の状況は、発電機４の回転速度を検出し、その回転速度においてコントローラ１４から発信される信号にて測定する。空気調和機の負荷の状況は、温度センサ１３で検出された空気調和機からの戻り冷水の温度から判定する。
【００１７】
発電機４の回転速度が低下したとき、温度センサ１３で検出される冷水の温度が所定の値（例えば１２℃）より低い場合には熱駆動式冷凍機７の冷凍能力には余裕があるので、三方弁11ａと11ｂを調整して吸気冷却器１０へ循環する冷水の流量を増やしてガスタービンの出力を増加させる。このとき、蓄熱運転と蓄電運転は停止する。
【００１８】
一方、電力負荷が低下し、空気調和機の負荷が増加、つまり温度センサ１３が検出する戻り冷水の温度が増加した場合には、三方弁11ａと11ｂを空気調和機側へ冷水が循環するように設定して、吸気冷却運転を停止すると共に蓄熱運転も停止する。このとき、燃料供給装置５に供給する燃料を減少させ、タービン３の出力を低下させるとタービン３の排熱量も減少し、熱駆動式冷凍機７の冷凍能力が低下して空気調和機の負荷増加に対応できないので、コントローラ１４から燃料供給装置５には燃料供給量維持信号を、蓄電器６には余剰電力蓄電信号を発信する。
【００１９】
発電能力と熱駆動式冷凍機７の冷凍能力共に電力負荷と空気調和機の負荷に対して余裕がある場合には、吸気冷却運転を停止して蓄熱運転と蓄電運転を行なう。また、発電能力と冷凍能力共に電力負荷と空気調和機の負荷に対して不足する場合には、蓄熱運転と蓄電運転を停止して三方弁12ａと12ｂを調整し蓄熱槽８にも冷水を循環させ吸気冷却と空気調和機の冷房運転に利用する。
【００２０】
以上により、電力負荷が増加してガスタービンの出力を増加させる必要がある場合、空気調和機の負荷が小さければ熱駆動式冷凍機の冷熱でガスタービンの吸気を冷却してタービンの出力を増加させ、さらに排熱が余る場合には熱駆動式冷凍機の余剰冷凍能力を蓄熱槽に蓄えることが可能となる。また、電力が余剰の場合にはガスタービンの出力を低下させることなく、余剰電力を蓄電器に蓄えるので、熱駆動式冷凍機の能力は低下せず、空気調和機の負荷に対応できる。さらに、電力が余剰の場合にもガスタービンの部分負荷運転を行なわないので、ガスタービンの発電効率を低下させることがない。
【００２１】
図２は他の実施の形態を示し、図１のものに対して、インバータ、保護回路等からなる系統連系制御装置１５を介して電力系統１６との系統連系運転ができるようにしたものである。これにより、発電能力が不足する場合には電力系統からの買電が可能となり、発電能力に余裕がある場合には電力系統への逆潮流により売電が可能となるので、電力不足と買電コスト増加を防止できる。
【００２２】
図３はさらに他の実施の形態を示し、図２のものに対して、系統連系制御装置１５のほかに蓄電器６を有し、余剰電力を蓄え、電力系統１６の負荷平準化を行うものである。
【００２３】
図４はさらに他の実施の形態を示し、図１ないし３に示したものに対して、ガスタービンの吸気冷却方式として、圧縮機１の吸気に冷却水１９を噴霧するようにし、冷却水１９は、冷却水冷却器１７にて熱駆動式冷凍機７から供給される冷水で冷却された後、冷却水インジェクション回路１８を使用して圧縮機１の吸気に噴霧される。これによれば、吸気冷却器１０により生じる圧縮機１の吸入圧力損失を無くすことができるのでガスタービンの効率を向上できる。
【００２４】
図５はさらに他の実施の形態を示し、圧縮機１を出た空気を再生熱交換器２０でタービン３の排気と熱交換させた後、燃焼器２へ流入させるようにしたものである。これによれば、タービン３の排熱をガスタービンサイクルに回収できるので、より一層発電効率を向上できる。
【００２５】
図６は、一実施の形態による冷凍機（熱駆動式冷凍機）７として水・臭化リチューム系吸収式冷凍機を使用した例を示す。
タービン３から排出された高温の排熱２１は、二重効用水・臭化リチューム系吸収式冷凍機７′の高温再生器２２に導かれ、吸収器２４で水蒸気を吸収して希釈され溶液ポンプ２７で搬送されてきた希溶液を濃縮する。高温再生器２２で濃縮された溶液は、低温再生器２３において高温再生器２２で発生した高温水蒸気２５で加熱され濃溶液となって吸収器２４に散布される。低温再生器２３で発生した水蒸気と低温再生器２３で溶液を加熱した水蒸気は凝縮器２７で冷却水３１により冷却されて水となり、蒸発器２７において再循環ポンプ２９で伝熱管３０に散布されながら蒸発し伝熱管３０内を流れる冷水を冷却する。蒸発器２７で蒸発して水蒸気２８となった水は吸収器２４内で濃溶液に吸収される。
【００２６】
水・臭化リチューム系吸収式冷凍機７′を冷凍機（熱駆動式冷凍機）として使用すると、高温再生器２２で溶液を濃縮した高温水蒸気２５の熱を更に低温再生器２３で利用できる二重効用吸収サイクルを構成できるので、熱駆動式冷凍機７の成績係数を向上できる。
【００２７】
図７は、熱駆動式冷凍機７として再生可能な吸着剤を用いた吸着式冷凍機を使用した例を示し、ガスタービンの排熱２１は吸着剤熱交換器３３ｂのシリカゲルやゼオライト等の吸着剤を加熱し、吸着した水蒸気を脱着させる。脱着した水蒸気は、開放されたダンパ３５ａを通過して凝縮器３２に流入し、冷却水で冷却されて水となる。この水は、蒸発伝熱管３４上で蒸発し冷水を冷却する。蒸発伝熱管３４上で蒸発した水は、水蒸気となって開放されたダンパ３６ｂを通過して吸着剤熱交換器３３ａに吸着される。吸着剤熱交換器３３ａの吸着剤が水分を吸着し、吸着能力が低下した場合には、三方弁３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを切替えて吸着剤熱交換器３３ａに排熱２１を、吸着剤熱交換器３３ｂに冷却水３１を流すことにより吸着剤熱交換器３３ａの吸着剤を再生する。この時ダンパ３５ａと３６ｂは閉じ、ダンパ３６ａと３５ｂは開放する。
【００２８】
吸着式冷凍機７″は排熱２１の温度が７０℃程度でも運転可能であるので、図５に示した再生熱交換器２０を出た比較的温度の低い排熱でも熱駆動式冷凍機７を運転することができる。
【００２９】
図８は、熱駆動式冷凍機７として二重効用水・臭化リチューム系吸収式冷凍機７′と吸着式冷凍機７″をカスケードに使用した例を示し、タービン３の排熱２１は、二重効用水・臭化リチューム系吸収式冷凍機７′を駆動した後、吸着式冷凍機７″を駆動でき、排熱２１をより一層活用でき、熱電供給システムの熱効率を向上できる。
【００３０】
図９は、熱電供給システムの蓄熱槽に、融解温度が０℃以上の潜熱蓄熱材を使用した例を示し、蓄熱槽８には、０℃以上の融解温度を有するヘキサンジオール等の潜熱蓄熱材を封入したカプセル３８が冷水３９中に充填されている。蓄熱運転の際には、三方弁42ｃと42ｄを蓄熱槽８と蒸発器２６間を冷水が循環する方向に設定し、冷水ポンプ４０を運転する。冷水３９は蒸発器２６で冷却され、カプセル３８内の潜熱蓄熱材を冷却・凝固させる。蓄熱槽８のみを使用した運転を行なう場合には、三方弁42ａと42ｂを吸気冷却器１０や空気調和機と蓄熱槽８間を冷水が循環する方向に設定し、冷水循環ポンプ４１を運転する。吸気冷却器１０や空気調和機等の冷却負荷で温度が上昇し、戻ってきた冷水はカプセル３８内の潜熱蓄熱材を融解すると共に冷却され再び冷却負荷に循環する。蓄熱運転を行なわないときは、三方弁42ａ、42ｂ、42ｃ、42ｄを冷却負荷と蒸発器２６が直結する方向に設定する。また、三方弁42ａと42ｄを蓄熱槽２６に連結する方向に設定し、三方弁42ｂと42ｃを冷却負荷に直結する方向に設定して冷水ポンプ４０と冷水循環ポンプ４１を運転すると、冷却負荷から戻ってきた冷水は三方弁42ａを通り、蓄熱槽８内を循環して三方弁42ｄ、蒸発器２６、三方弁42ｃ、42ｂを通って冷却負荷に循環するので、蓄熱量が不足した場合の追いかけ運転も可能となる。
【００３１】
図１０は、蓄熱槽に、融解温度が０℃以上の潜熱蓄熱材を使用した他の実施の形態を示し、潜熱蓄熱材を蓄熱槽８内に充填し、蓄熱熱交換器４３を蓄熱槽８内に設置したものである。蓄熱運転の際には、三方弁46ａ、46ｂ、46ｃを冷水が蓄熱熱交換器４３と蒸発器２６間を循環するように設定し、冷水ポンプ４０を運転すると蓄熱熱交換器４３の周りに潜熱蓄熱材44が凝固・成長する。蓄熱槽８のみを使用した運転を行なう場合には、三方弁46ａ、46cおよび46bを冷却負荷と蓄熱槽８間を冷水が循環する方向に設定し、冷水循環ポンプ４１を運転する。このとき、冷却負荷戻り冷水は逆止弁４５を通過して蓄熱熱交換器４３を循環する。また、蒸発器２６による追いかけ運転を行なう際には、三方弁46ｃをバイパス４７方向に、三方弁46ｂを冷却負荷側へ設定する。
【００３２】
図１１は、蓄熱槽に、融解温度が０℃以上の潜熱蓄熱材を使用した例を示し、三方弁46ｃとバイパス４７が設置されていない。これにより、蓄熱槽利用運転時の蒸発器２６の追いかけ運転はできないが、システム構成が簡略化されシステムのコストを低減できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、電力負荷と空気調和機の負荷に過不足なく対応可能な熱電供給システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態の熱電供給システムのブロック図。
【図２】本発明による他の実施の形態による熱電供給システムのブロック図。
【図３】本発明によるさらに他の実施の形態による熱電供給システムのブロック図。
【図４】本発明によるさらに他の実施の形態による熱電供給システムのブロック図。
【図５】本発明によるさらに他の実施の形態による熱電供給システムのブロック図。
【図６】一実施の形態の冷凍機（熱駆動式冷凍機）として吸収式冷凍機を適用したブロック図。
【図７】一実施の形態の冷凍機（熱駆動式冷凍機）として吸着式冷凍機を適用したブロック図。
【図８】一実施の形態の冷凍機（熱駆動式冷凍機）として吸収式冷凍機と吸着式冷凍機をカスケード接続したブロック図。
【図９】一実施の形態による蓄熱槽として潜熱蓄熱材を適用したブロック図。
【図１０】他の実施の形態による蓄熱槽のブロック図。
【図１１】さらに、他の実施の形態による蓄熱槽のブロック図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…ガスタービン、４…発電機、５…燃料供給装置、６…蓄電器、７…冷凍機（熱駆動式冷凍機）、８…蓄熱槽、９…排熱回収熱交換器、１０…吸気冷却器、１３…温度センサ。

Claims (7)

1. ガスタービン発電機の排熱を利用して冷凍機を駆動し、冷凍機による冷熱を前記ガスタービン発電機の吸気冷却と空気調和機の冷熱源とする熱電供給システムにおいて、前記冷凍機による冷熱を蓄熱する蓄熱槽と、前記ガスタービン発電機による電気を蓄電する蓄電器と、前記ガスタービン発電機を駆動する燃料の供給を行なう燃料供給装置と、を備え、前記ガスタービン発電機の電力負荷と前記空気調和機の負荷とを検出し、前記ガスタービン発電機の能力が不足し、前記空気調和機の能力に余剰があると判断される場合は、前記吸気冷却を行い、前記蓄熱及び蓄電を停止し、前記空気調和機の能力が不足し、前記ガスタービン発電機の能力に余剰があると判断される場合は、前記燃料供給装置から供給する燃料の供給を維持し、前記蓄電を行い、前記吸気冷却及び蓄熱は停止し、前記空気調和機及び前記ガスタービン発電機の能力に余剰があると判断される場合は、前記蓄熱及び蓄電を行い、前記吸気冷却は停止し、前記空気調和機及び前記ガスタービン発電機の能力が不足すると判断される場合は、前記蓄熱及び蓄電は停止し、前記吸気冷却は前記蓄熱を利用することを特徴とする熱電供給システム。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機で冷却した冷水とガスタービン吸気との熱交換を水・空気熱交換器で行なうことを特徴とする熱電供給システム。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機で冷却した冷水を噴霧することで前記ガスタービンの吸気を冷却することを特徴とする熱電供給システム。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機は、水・臭化リチューム系の吸収式冷凍機であることを特徴とする熱電供給システム。
5. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機は、再生可能な吸着剤を用いた吸着式冷凍機であることを特徴とする熱電供給システム。
6. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機は、吸収式冷凍機及び前記吸収式冷凍機を駆動した後の排熱で駆動される吸着式冷凍機であることを特徴とする熱電供給システム。
7. 請求項１に記載のものにおいて、前記冷凍機による蓄熱は、融解温度が０℃以上の潜熱蓄熱材を使用したことを特徴とする熱電供給システム。

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