JP4486391B2

JP4486391B2 - 余剰蒸気の有効利用装置

Info

Publication number: JP4486391B2
Application number: JP2004099993A
Authority: JP
Inventors: 英明桑原; 和人岡田; 俊也三宅
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005282512A

Description

この発明は、蒸気タービンを用いて余剰蒸気を利用価値の高い動力エネルギーおよび電気エネルギーに変換する余剰蒸気の有効利用装置に関する。

蒸気を使用するプラントでは、通常、ボイラやスーパーヒータ（蒸気加熱器）を用いて高温高圧の蒸気を生成させ、この高圧蒸気ラインからの蒸気によって発電機を連結した蒸気タービンを駆動して発電が行なわれている。この蒸気タービン駆動後の排気は中圧蒸気ラインに送られ、熱プロセスを有する工場でのプロセス用熱源として利用される場合が多い。このように、工場内の蒸気利用プロセスでは、従来から、高圧蒸気ライン、中圧蒸気ラインおよび低圧蒸気ラインを設けて、蒸気の圧力や熱エネルギーがカスケード利用されてきた。このカスケード利用で、高圧蒸気または中圧蒸気は前記発電機を介して電気エネルギーの発生に用いられ、蒸気タービンの駆動に利用された後の中圧または低圧の蒸気は、乾き度が不安定など蒸気の状態がわるく、エロージョンによるタービン材の損傷のおそれ等があるため、主に工場内のプロセス用熱源として利用されている。

ところが、近年、工場内プロセスの省エネルギー化が図られたことに伴い、熱需要が低下する一方、この熱需要の変化に対して、電気需要は変化しないことが多い。このため、熱電比のバランスが崩れた工場では、プロセス用熱源として用いられていた中圧の蒸気が余っていることが多い。このように、最近の工場では建設当初の蒸気利用プロセスの熱電バランスが崩れたため、蒸気エネルギーを有効に利用しきれていないという問題が生じている。

前記蒸気タービン駆動後の蒸気エネルギーの有効利用策として、例えば、発電ラインの、高圧過熱蒸気によって駆動される凝縮タービンおよび低圧過熱蒸気によって駆動される背圧タービンからの蒸気の最終排気または抽気を吸収式ヒートポンプに供給し、蒸気圧縮機や給水加熱器などを介して、前記蒸気を給湯ラインやボイラ給水ラインの熱源とする発電・給湯システムが開示されている（特許文献１参照）。また、熱エネルギーをより有効に利用する観点から、蒸気タービンから排出される中圧蒸気を、プロセス用熱源として利用するのではなく、蒸気タービンを利用して空気圧縮機の動力など利用価値の高いエネルギーに変換するエネルギー回収装置が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２に開示された余剰蒸気のエネルギーの回収装置では、蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインに蓄熱燃焼式間接加熱装置を介装して、余剰蒸気を加熱し、余剰蒸気の乾き度を自由自在にコントロールし、蒸気タービンの蒸気入口と蒸気出口との余剰蒸気圧力差を大きくして、余剰蒸気の圧力エネルギーを動力として効率よく回収するものである。同様に、コ・ジェネレーション装置やボイラ等、系を異にするシステムからの余剰蒸気を取り込んで、蒸気昇温熱交換器により、蒸気タービンの作動流体として必要な温度（８００〜９００℃程度）に昇温し、蒸気タービンにより発電機を駆動して発電させて余剰蒸気についてのエネルギー有効利用を図る高温蒸気発電装置が開示されている（特許文献３参照）。

特開平１１−１７３１０９号公報（［００１２］〜［００１９］）特開２００２−８９２０８号公報（［００１５］〜［００２３］）特開２００３−３４３２１２号公報（［００１２］〜［００２０］）

しかし、特許文献１に開示された発電・給湯システムでは、蒸気タービンを駆動する１次利用が終わった中圧の蒸気は、プロセスや給湯用の熱源として利用されるにとどまっている。また、特許文献２に開示されたエネルギー回収装置では、余剰蒸気供給ラインに、別途、前記蓄熱燃焼式間接加熱装置として蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置を設ける必要があり、燃焼排ガスを熱源として用いているため、加熱装置が複雑となり、また、熱交換後の燃焼排ガス処理も必要となって繁雑である。さらに、特許文献３に開示された高温蒸気発電装置でも、余剰蒸気の加熱に高温の燃焼ガスを用いるため、加熱装置が別途必要であり、しかも、余剰蒸気を８００〜９００℃程度までの高温に加熱する必要がある。

そこで、この発明の課題は、蒸気タービンの駆動やプロセス需要に利用した余剰蒸気のエネルギーを、簡便かつ効率よく、蒸気タービンを介して利用価値の高い動力や発電エネルギーに変換するエネルギー有効利用装置を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

即ち、請求項１に係る余剰蒸気の有効利用装置は、蒸気タービンの駆動およびプロセス用熱源に用いて発生した余剰蒸気を加熱する熱交換器と、この加熱した余剰蒸気を供給して動力または電気エネルギーに変換する蒸気タービンとを備えた余剰蒸気の有効利用装置であって、前記熱交換器の加熱媒体として、圧力が１６kgf/cm ² G以上の高圧蒸気ラインおよび圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインの両方、または、圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインのみから抽気した蒸気を用い、前記余剰蒸気を過熱蒸気に変えて前記蒸気タービンに供給するようにしたことを特徴とする。

前記余剰蒸気を加熱して過熱蒸気に変えることにより、この余剰蒸気が中圧（８kgf/cm²G以下）の蒸気であっても、蒸気タービンでエロージョンが発生しない状態で蒸気の膨張比を大きくすることができるため、余剰蒸気を、従来、困難と考えられていた利用価値の高い動力または電気エネルギーに変換することができ、変換される動力または電気エネルギーの量、即ち変換効率も向上する。また、前記余剰蒸気の加熱媒体として、工場内の圧力が１６kgf/cm ² G以上の高圧蒸気ラインおよび圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインの両方、または、圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインのみから抽気した蒸気を用いるため、前記蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置などの加熱装置が不要となり、余剰蒸気を簡便かつ経済的に加熱することができる。そして、工場内の蒸気利用プロセスで発生する余剰蒸気の、プロセス用熱源以外の利用を促すことができるため、工場内での熱電比のバランスを安定させることができる。なお、前記プロセス用熱源とは、蒸気タービンへ供給して電力および動力回収に利用する以外の、各種プロセスへの蒸気の保有熱を利用した熱源を意味する。前記熱交換器に加熱媒体として供給される前記中圧蒸気ラインの圧力が８kgf/cm ² G以上であれば、熱交換器で加熱される余剰蒸気を、蒸気タービンでエロージョンが発生しない程度の乾き度が得られる温度に加熱することが可能である。とくに、前記蒸気の圧力を少なくとも１６kgf/cm ² G確保しておくと、過熱蒸気に変えることができる余剰蒸気の圧力を、後述するように、経済面から見て実用可能な、３kgf/cm ² G程度にまで下げることができ、再利用できる余剰蒸気の圧力範囲を広くとることができる。

請求項２に係る余剰装置の有効利用装置は、前記熱交換器がシェルアンドチューブタイプの熱交換器であることを特徴とする。

前記余剰蒸気は前記シェルアンドチューブタイプの熱交換器のシェル（胴）に設けた多数の細径管を流通し、シェルの長手方向に千鳥状に設けたバッフル板の間を前記高圧蒸気ラインまたは中圧蒸気ラインから抽気された加熱媒体の蒸気が通過して大きな伝熱面積で熱交換が行なわれるため、余剰蒸気を効率よく加熱して過熱蒸気に変えることができる。

請求項３に係る余剰装置の有効利用装置は、前記熱交換器の加熱媒体の出側に、自動排出バルブを設けたことを特徴とする。

このようにすれば、前記熱交換器の加熱媒体の出側に一定量の凝縮水が溜まると自動的に排出するようにできるので、前記シェル内の圧力を一定に保つことができ、加熱媒体の蒸気の潜熱を効率よく利用することができる。

請求項４に係る余剰装置の有効利用装置は、前記熱交換器の余剰蒸気の入側に湿分分離機能を備えたことを特徴とする。

このようにすれば、前記熱交換器に入る余剰蒸気に含まれる水分をある程度予め除去できるため、熱交換器から出る余剰蒸気、即ち過熱蒸気の温度を高め、その乾き度を大きくできる利点がある。

この発明では、工場内の蒸気利用プロセスで、圧力が１６kgf/cm ² G以上の高圧蒸気ラインおよび圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインの両方、または、圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインのみから供給され、一次利用された余剰蒸気を、この圧力が１６kgf/cm ² G以上の高圧蒸気ラインおよび圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインの両方、または、圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインのみから抽気した蒸気を加熱媒体として熱交換器で加熱して過熱蒸気に変えるようにしたので、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼加熱装置等の加熱媒体供給装置を別途に設置しなくても、余剰蒸気のエネルギーを、簡便かつ経済的に、利用価値の高い動力や電気エネルギーに変換することが可能である。

また、前記熱交換器として、大きな伝熱面積がとれるシェルアンドチューブタイプの熱交換器を用い、その加熱媒体の排出側に自動排出バルブを、余剰蒸気の入側に湿分分離器を設けたので、加熱媒体の蒸気の潜熱を有効に利用して、低圧の余剰蒸気を効率よく過熱蒸気に変えることが可能となる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図３に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施形態を含む工場内の蒸気利用プロセスの系統図を示したものである。工場内には、高圧蒸気ライン１、中圧蒸気ライン２、中圧余剰蒸気ライン３および低圧蒸気ライン４が配設されている。前記高圧蒸気ライン１には、ボイラＢで発生した圧力が１６kgf/cm²G以上の高圧蒸気が送られ、この高圧蒸気ライン１には、発電機ＧまたはモータＭなる負荷が連結された蒸気タービン５が接続され、また、この高圧蒸気ライン１から、蒸気の保有熱を利用したプロセス用熱源として、即ち、蒸気タービン５への供給以外の、例えば、溶解、蒸発、乾燥、保温や焼付け加工等のプロセス需要に対して高圧蒸気が供給される。前記蒸気タービン５からの排出蒸気およびプロセス需要後の排出蒸気は、中圧蒸気ライン２に送られ、この中圧蒸気ライン２には、通常、８kgf/cm²G以上の中圧蒸気が流通し、発電機ＧまたはモータＭなる負荷が連結された蒸気タービン５ａが接続されている。この中圧蒸気ライン２からも、蒸気タービン５ａへの供給以外のプロセス需要に対して蒸気が供給される。前記蒸気タービン５ａからの排出蒸気およびプロセス需要後の排出蒸気、即ちこれらの余剰蒸気は、中圧余剰蒸気ライン３に送られ、その圧力は、通常、８kgf/cm²G以下である。この中圧余剰蒸気ライン３は、熱交換器６と蒸気タービン７とを備えた余剰蒸気の有効利用装置８に接続されている。また、中圧余剰蒸気ライン３からもプロセス需要に対して余剰蒸気が供給され、プロセス需要後の排出蒸気は低圧蒸気ライン４に送られる。

前記熱交換器６として、加熱媒体として用いられる蒸気を凝縮させてその凝縮潜熱を利用できる熱交換器、例えば、シェルアンドチューブタイプの熱交換器が用いられ、前記余剰蒸気がシェル（胴）に設けた多数の細径管内を流通し、加熱媒体として高圧蒸気ライン１または中圧蒸気ライン２から抽気された蒸気がシェルの長手方向に千鳥状に設けたバッフル板の間を通過して凝縮し、前記多数の細径管の大きな伝熱面積を介して余剰蒸気を効率よく加熱して過熱蒸気に変える。前記余剰蒸気の熱交換器６への入側には、余剰蒸気に含まれる水分をある程度予め除去し、熱交換器から排出される過熱蒸気の温度を高め、その乾き度を大きくするために、湿分分離機能を有する手段として湿分分離器９が設けられている。また、前記加熱媒体の熱交換器６の入側、および出側には、熱交換器６に流入する余剰蒸気量の変動に応じて加熱媒体の導入量を調節するための流量制御弁１０、および一定量の凝縮水が溜まると自動的に排出し、シェル内の圧力を一定に保つために自動排出弁１１が設けられている。熱交換器６により過熱蒸気に改質された余剰蒸気は、蒸気タービン７の駆動に供せられ、その排出蒸気は低圧蒸気ライン４に送られる。そして、この排出蒸気はプロセス需要後の排出蒸気とともに、戻りライン１２を経て復水器Ｒに戻され、ボイラ給水として再使用される。なお、前記熱交換器６として、フィンチーブ式熱交換器を用いることができ、フィンチューブ内に余剰蒸気を流通させ、前記加熱媒体をフィン部と接触するように導入して熱交換させることにより、前記余剰蒸気を過熱蒸気に変えることができる。

図２は、工場内で発生する余剰蒸気の圧力と経済性の関係を定性的に示したものである。即ち、この前記熱交換器６と蒸気タービン７を備えた余剰蒸気の有効利用装置の設置費用と、蒸気タービン７での回収電力と、装置の年間稼働時間とから、設置費用の回収年限を５年として試検討した、経済的観点から現実に再利用可能な余剰蒸気の圧力限界を定性的に示したものである。図中に示したように、再利用できる余剰蒸気の圧力の下限はおよそ３kgf/cm²Gである。圧力が８kgf/cm²G以上の蒸気は、既に発電に利用されているため、この発明の余剰蒸気の有効利用装置は、圧力が８〜３kgf/cm²Gの範囲の中圧余剰蒸気の有効利用を対象としている。

図３は、前記熱交換器６に流入する余剰蒸気の圧力と、加熱されて流出する蒸気の温度を示したもので、番号１は加熱媒体として１６kgf/cm²Gの高圧蒸気を用いた場合、番号２は加熱媒体として５０kgf/cm²Gの高圧蒸気を用いた場合、番号３は熱交換器６を通過せず加熱しない場合、のそれぞれの温度表示線である。高圧蒸気の圧力が１６kgf/cm²G以上であれば、余剰蒸気の圧力が３kgf/cm²G以上で加熱による蒸気温度の上昇が認められ、熱交換器６から過熱蒸気となって流出し、蒸気タービン７の駆動に用いることができる。従って、図２で斜線を記した範囲、即ち加熱媒体の高圧蒸気の圧力が１６〜５０kgf/cm²Gの範囲で得られる、およそ１５０〜２６０℃の温度範囲で３〜８kgf/cm²Gの過熱蒸気であれば、蒸気タービン７に供給して電力や動力エネルギーの回収が可能である。なお、高圧蒸気の圧力が５０kgf/cm²G以上としても、蒸気発生上の設備的負荷が増大するだけで、蒸気タービン７に供給する過熱蒸気の温度範囲としては、前記斜線を付した範囲で実用上十分である。

前記余剰蒸気の有効利用装置は、余剰蒸気の加熱媒体として、工場内の高圧蒸気ライン１または中圧蒸気ライン２から抽気した蒸気を用い、別途に蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のような加熱装置を必要としないため、経済的利点があり、有効利用できる余剰蒸気の下限も３kgf/cm²Gまで下げることができる。

この発明は、工場内の蒸気利用プロセスで発生する中圧の余剰蒸気を、利用価値の高い電気エネルギーや、例えば、空気圧縮機などの動力エネルギーに効率よく変換する余剰蒸気の有効利用装置として利用することができる。

この発明の実施形態を含む工場内の蒸気利用プロセスの系統を示す説明図である。実施形態での、経済性の観点からの再利用可能な余剰蒸気の圧力を示す説明図である。実施形態での、余剰蒸気および高圧蒸気の圧力と熱交換後の蒸気温度との関係を示す説明図である。

１：高圧蒸気ライン２：中圧蒸気ライン３：中圧余剰蒸気ライン
４：低圧蒸気ライン５、５ａ：蒸気タービン６：熱交換器
７：蒸気タービン８：余剰蒸気有効利用装置９：湿分分離器
１０：流量制御弁１１：自動排出弁１２：戻りライン
Ｂ：ボイラＲ：復水器

Claims

蒸気タービンの駆動およびプロセス用熱源に用いて発生した余剰蒸気を加熱する熱交換器と、この加熱した余剰蒸気を供給して動力または電気エネルギーに変換する蒸気タービンとを備えた余剰蒸気の有効利用装置であって、前記熱交換器の加熱媒体として、圧力が１６kgf/cm ² G以上の高圧蒸気ラインおよび圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインの両方、または、圧力が８〜１６kgf/cm ² Gの範囲の中圧蒸気ラインのみから抽気した蒸気を用い、前記余剰蒸気を過熱蒸気に変えて前記蒸気タービンに供給するようにしたことを特徴とする余剰蒸気の有効利用装置。
前記熱交換器がシェルアンドチューブタイプの熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の余剰蒸気の有効利用装置。
前記熱交換器の加熱媒体の出側に、自動排出バルブを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の余剰蒸気の有効利用装置。
前記熱交換器の余剰蒸気の入側に湿分分離機能を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の余剰蒸気の有効利用装置。