JP4666641B2

JP4666641B2 - エネルギー供給システム、エネルギー供給方法、及びエネルギー供給システムの改造方法

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Publication number: JP4666641B2
Application number: JP2006167678A
Authority: JP
Inventors: 眞一樋口; 貴範柴田; 信也圓島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: JP2007333336A

Description

本発明は、熱利用施設に熱エネルギーを供給するエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、及び既設の設備を利用したエネルギー供給システムの改造方法に関する。

システムのエネルギー効率の向上を狙ったものの１つとしてコジェネレーションシステムにヒートポンプを利用したものがある。ヒートポンプとは大気の熱や排熱等を圧縮機等を利用して効率良く汲み上げるものである。この種の技術として、例えば、ヒートポンプで生成した温水や冷水等の液体状態の熱媒体をシステム内の洗浄水や冷却水等として利用する技術がある（特許文献１等参照）。

特公平７−４２１２号公報

しかしながら、熱利用施設に熱エネルギーを供給する場合、温水や冷水を熱媒体としても媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を十分に確保することは難しい。そのため、上記従来技術を適用し、ヒートポンプを利用して得た温水や冷水を熱媒体として熱利用施設に供給する構成を採ったとしても、エネルギー供給システムの設置場所が熱利用施設に近い範囲に限定されてしまう。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させることができるエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、エネルギー供給システムの改造方法を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機と、前記原動機からの排出ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラと、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器、及び前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機を有するヒートポンプとを備えたエネルギー供給システムであって、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを、前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを有する。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記熱利用施設で熱利用されて凝縮した熱媒体及び前記熱交換器で熱利用されて凝縮した第２の蒸気のうち少なくとも一方を前記廃熱回収ボイラに循環させる熱媒体循環系統を有する。

（３）上記目的を達成するために、また本発明は、燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービンを有するガスタービンと、前記タービンからの排ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラと、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器、及び前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機を有するヒートポンプとを備えたエネルギー供給システムであって、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを、前記圧縮機で昇温昇圧した前記第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気供給系統とを有する。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記熱交換器は、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の一部を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成し、前記廃熱回収ボイラは、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の残りを加熱して第３の蒸気を生成しており、前記ヒートポンプは、前記廃熱回収ボイラで生成した第３の蒸気により駆動する蒸気タービンを有し、該蒸気タービンは前記圧縮機と同軸に接続されている。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記蒸発器で生成した第１の蒸気と前記蒸気タービンで膨張仕事をした第３の蒸気を混合する混合手段を有し、前記熱交換器は、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の一部を前記混合手段で混合した第１の蒸気及び第３の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する。

（６）上記目的を達成するために、また本発明は、廃熱回収ボイラで熱媒体を予熱し、予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により蒸発器で加熱して第１の蒸気を生成し、前記第１の蒸気を圧縮機で昇温昇圧し、予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧ポンプで加圧し、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記蒸発器で生成した第１の蒸気との熱交換により加熱して第２の蒸気を生成し、前記第２の蒸気を高圧圧縮機で圧縮して熱利用施設に供給する。

（７）上記目的を達成するために、また本発明は、既設の廃熱回収ボイラに熱媒体を流通させるようになし、この廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器と、前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機と、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを追設する。

（８）上記目的を達成するために、また本発明は、燃焼エネルギーを駆動力に変換する既設の原動機に、この原動機の排出ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラを取り付け、さらに、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器と、前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機と、前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを追設する。

本発明によれば、システム全体の熱効率及びエネルギー供給効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のエネルギー供給システムの一実施形態の全体構成を表すシステムフロー図である。
この図１において、エネルギー供給システムは、燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機であるガスタービン１０と、このガスタービン１０から排出される燃焼ガス（排出ガス）を熱源とするボイラ（廃熱回収ボイラ）３０と、ボイラ３０で生成した蒸気（第３の蒸気）により駆動するヒートポンプ５０と、ヒートポンプ５０で生成した蒸気（第２の蒸気）を熱利用施設１に供給する蒸気供給系統（気体供給系統）７０と、熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体等（詳細は後述）をボイラ３０へ供給する熱媒体循環系統８０とを備えている。

ガスタービン１０は、空気（大気）Ａを吸い込んで圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１からの圧縮空気とともに燃料Ｂを燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生じさせる燃焼器１２と、燃焼器１２からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービン１３とを備えている。燃焼器１２で用いる燃料には、天然ガスの他、天然ガスを主成分とする都市ガス、或いは灯油や軽油、Ａ重油等を用いることができる。タービン１３と同軸上には圧縮機１１及び発電機１４が連結されており、タービン１３で得られた回転動力の一部が圧縮機１１の駆動に消費され、残りの回転動力が発電機１４の駆動に消費されて電気エネルギーに変換されるようになっている。なお、発電機１４に代えて、ポンプ等の他の負荷機器を連結してもよい。

ボイラ３０は、ガスタービン１０からの排出ガスの流れ方向に沿って順に、高圧過熱器３１、高圧蒸発器３２、高圧節炭器３３、中圧節炭器３４、及び低圧節炭器３５を備えている。これら高圧過熱器３１、高圧蒸発器３２、高圧節炭器３３、中圧節炭器３４、及び低圧節炭器３５は、排出ガスに含まれる熱エネルギーを回収し、熱媒体循環系統８０を介し供給された熱媒体を加熱するようになっている。なお、ボイラ３０で熱交換を終えた排出ガスＣは、煙突（図示せず）から大気中に放出されるようになっている。

熱媒体循環系統８０を介しボイラ３０に供給された熱媒体は、低圧節炭器３５、中圧節炭器３４、高圧節炭器３３、高圧蒸発器３２、高圧過熱器３１の順に流通するようになっている。低圧節炭器３５の熱媒体の流れ方向下流側には、分岐３６を介し分岐した配管３７，３８が接続されている。配管３７は中圧ポンプ３９を介し中圧節炭器３４に接続され、配管３８はヒートポンプ５０に接続されている。配管３８には調整弁４０が設けられており、この調整弁４０の開度によって配管３７，３８に分流する熱媒体の流量割合が調整されるようになっている。

中圧節炭器３４の熱媒体の流れ方向下流側には、分岐４１を介し分岐した配管４２，４３が接続されている。配管４２は高圧ポンプ４４を介し高圧節炭器３３に接続され、配管４３はヒートポンプ５０に接続されている。配管４３には調整弁４５が設けられており、この調整弁４５の開度によって配管４２，４３に分流する熱媒体の流量割合が調整されるようになっている。

高圧節炭器３３と高圧蒸発器３２は蒸気ドラム４６を介して接続され、さらに蒸気ドラム４６は高圧過熱器３１に接続されている。また、高圧過熱器３１は、配管４７を介しヒートポンプ５０に接続されている。

ヒートポンプ５０は、ボイラ３０から配管４７を介し供給された蒸気（第３の蒸気）で駆動する蒸気タービン５１と、この蒸気タービン５１と同軸上に連結された二相流膨張タービン５２、低圧圧縮機５３Ａ、及び中圧圧縮機５３Ｂと、ボイラ３０から配管３８を介し供給された熱媒体（高温水）を外部の熱（熱利用施設１の廃水や大気等）を利用して加熱し蒸気（第１の蒸気）を生成する蒸発器５４とを有する。二相流膨張タービン５２は蒸発器５４を介し低圧圧縮機５３Ａに接続され、低圧圧縮機５３Ａは高圧圧縮機５３Ｂと配管接続されている。

蒸発器５４には、熱利用施設１等の廃水や大気等を通す配管５５が設けられている。なお、本実施形態では、１００℃未満の廃熱も熱源として利用できるよう蒸発器５４の内部の圧力を負圧に設定している。そのため、二相流膨張タービン５２の出口及び圧縮機５３Ａの入口における流体密度が小さくなる。そこで、図示したように、二相流膨張タービン５２の出口と圧縮機５３Ａの入口を蒸発器５４の上部空間で連結し、流体を高速化しなければならないような配管を不要にしている。また、蒸発器５４内部には仕切り５６が設けられ、二相流膨張タービン５２側と圧縮機５３Ａ側とで上部空間を区画するようになっている。これにより、二相流膨張タービン５２出口での水滴が圧縮機５３Ａに直接流入するのを防止するようになっている。また、蒸発器５４の内部で液相部分は静止するが、液相と配管５５との間で熱交換効率が悪い場合、液相を強制的に流動させる攪拌機（図示せず）や内部仕切り（図示せず）を設けて均質な流れを作って伝熱を促進させるようにしてもよい。

そして、本実施形態の大きな特徴として、ヒートポンプ５０は、ボイラ３０から配管４３を介し供給された熱媒体（高温水）を、蒸発器５４で生成した蒸気（第１の蒸気）及び蒸気タービン５１で膨張仕事をした蒸気（第３の蒸気）との熱交換により加熱して、蒸気（第２の蒸気）を生成する熱交換器５７と、蒸気タービン５１と同軸上に連結され熱交換器５７で生成した蒸気を圧縮する高圧圧縮機５８とをさらに有し、この高圧圧縮機５８で圧縮された蒸気が蒸気供給系統７０を介し熱利用施設１に供給されるようになっている。中圧圧縮機５３Ｂは配管５９、混合器６０、及び配管６１を介し熱交換器５７に接続されている。また、蒸気タービン５１の出口（又は抽気口）に接続した配管６２が混合器６０に接続されている。

熱媒体循環系統８０は、循環ポンプ８１によって、熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体及び熱交換器５７で熱源として利用され凝縮した熱媒体をボイラ３０に供給するための配管系統である。熱利用施設１は配管８２、混合器８３、及び配管８４を介し循環ポンプ８１に接続されている。また、熱交換器５７の熱源側出口に接続した配管８５が混合器８３に接続されている。また、配管８５には調整弁８６が設けられており、この調整弁８６の開度によって配管８２，８５における熱媒体の流量割合が調整されるようになっている。

なお、以上のように構成された本システムを構築する場合、勿論、システム全体を新たに構築してもよいが、例えば原動機であるガスタービンやボイラ等が既設されている場合、それら既存設備に適宜改造を施しても構築可能である。

例えばガスタービン１０が既設されている場合、このガスタービン１０にボイラ３０を取り付け、ガスタービン１０の排出ガスにより熱媒体を加熱するようになす。そして、ヒートポンプ５０を追設してボイラ３０に接続する。このとき、ボイラ３０の高圧過熱器３１からの蒸気によりヒートポンプ５０の蒸気タービン５１が駆動するように、またボイラ３０の低圧節炭器３５で予熱した熱媒体がヒートポンプ５０の蒸発器５４によって加熱され蒸気が生成されるように、さらにボイラ３０の中圧ポンプ３９で加圧し中圧節炭器３４で予熱した熱媒体がヒートポンプ５０の熱交換器５７によって加熱され蒸気が生成されるようにする。そして、ヒートポンプ５０の高圧圧縮機５８と熱利用施設１とを蒸気供給系統７０で接続し、熱利用施設１で熱利用され凝縮した熱媒体及びヒートポンプ５０の熱交換器５７で熱利用され凝縮した熱媒体が循環ポンプ８１によってボイラ３０に循環されるように熱媒体循環系統８０を構成する。

また、例えばボイラ３０が既設されている場合は、このボイラ３０に熱媒体を流通させるようになし、上記と同じ要領で、ヒートポンプ５０、蒸気供給系統７０、熱媒体循環系統８０を設ければよい。

次に、本実施形態における動作を説明する。

圧縮機１１に吸い込まれた空気Ａは、所定圧力（例えば０．８ＭＰａ）まで圧縮される。圧縮機１１からの圧縮空気は、燃料Ｂとともに燃焼器１２で燃焼され、高温・高圧の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスがタービン１３に導かれて膨張仕事をし、タービン１３の回転動力が得られる。タービン１３の回転動力の一部は圧縮機１１の駆動に消費され、残りの回転動力が発電機１４の駆動に消費されて電気エネルギーに変換される。タービン１３で膨張仕事をして所定温度（例えば５６０℃程度）まで低下した燃焼ガス（排出ガス）は、ボイラ３０に熱源として供給される。

ボイラ３０に供給された排出ガスは、高圧過熱器３１、高圧蒸発器３２、高圧節炭器３３、中圧節炭器３４、及び低圧節炭器３５を通過する際に、循環配管系統８０を介し供給された熱媒体と順次熱交換して温度が低下する。熱エネルギーが回収された排出ガスは、大気中に放出される。

熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した所定温度（例えば３０℃程度）の熱媒体等は、まず循環ポンプ８１で所定圧力（例えば０．４ＭＰａ程度）に加圧される。その後、低圧節炭器３５に供給されて所定温度（例えば１００℃程度）に昇温した熱媒体は、低圧節炭器３５の圧力損失で所定圧力（例えば０．３ＭＰａ程度）に圧力を下げ、配管３７，３８に分流する。このときの配管３７，３８に分流する熱媒体の流量割合は調整弁４０の開度により調整される。

配管３７に導かれた熱媒体は、中圧ポンプ３９で所定圧力（例えば０．６ＭＰａ程度）に加圧される。その後、中圧節炭器３４に供給されて所定温度（例えば１３０℃）に昇温した熱媒体は、中圧節炭器３４の圧力損失で所定圧力（例えば０．５ＭＰａ）に圧力を下げ、配管４２，４３に分流する。このときの配管４２，４３に分流する熱媒体の流量割合は調整弁４５の開度により調整される。

配管４２に導かれた熱媒体は、高圧ポンプ４４で所定圧力（例えば５．４ＭＰａ程度）に加圧され、更に高圧節炭器３３で飽和温度（例えば２６９℃程度）近くまで加熱される。蒸気ドラム４６に供給されると、飽和水となった熱媒体は、高圧蒸発器３２において加熱され蒸気に相変化する。蒸気ドラム４６内に発生した飽和蒸気は、高圧過熱器３１に導かれ、所定温度（例えば４５０℃程度）及び所定圧力（５．０ＭＰａ程度）に昇温昇圧され過熱蒸気（第３の蒸気）となる。この過熱蒸気は、ヒートポンプ５０の動力源である蒸気タービン５１に供給される。

高圧過熱器３１を出た過熱蒸気は、蒸気タービン５１で膨張仕事をし、蒸気タービン５１の回転動力が得られる。蒸気タービン５１の回転動力が二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂ，５８に伝達され、それらを駆動する。

また、低圧節炭器３５で予熱された後、配管３８に導かれた熱媒体（高温水）はヒートポンプ５０の二相流膨張タービン５２に供給される。この熱媒体は低圧節炭器３５の出口付近では飽和条件に近い所定圧力（例えば０．３ＭＰａ程度）及び所定温度（例えば１００℃程度）となっている。二相流膨張タービン５２に供給された熱媒体は、膨張過程で所定割合が蒸発して二相流を成し、所定圧力（例えば０．０２ＭＰａ程度）及び所定温度（例えば６０℃程度）に減圧・減温される。蒸発器５４の下部には、蒸気相と分離した液相が滞留し、配管５５を流れる熱利用施設１の排熱（例えば６０〜８０［℃］程度）により加熱されて蒸発する。なお、ここで二相流膨張タービン５２の出口圧力を低く設定しているのは、蒸発器５４内の圧力をより低くしたほうがより低温の熱源からでも効率的に熱を利用できるからである。例えば二相流膨張タービン５２の出口圧力をさらに（例えば０．００２ＭＰａ程度まで）低下させた場合、それに伴って蒸発器５４の内部の温度がさらに（例えば１８℃程度まで）低下するので、無限に存在する大気の熱を利用して熱媒体を蒸発させることも可能である。

蒸発器５４の上部空間に存在する所定圧力（例えば０．０２ＭＰａ程度）の蒸気は、圧縮機５３Ａ，５３Ｂによって所定圧力（例えば０．２ＭＰａ程度）まで圧縮され、所定温度（例えば１５０℃程度）まで温度上昇する。そして、圧縮機５３Ｂを出た蒸気と蒸気タービン５１で膨張仕事をした蒸気は、それぞれ配管５９，６２を介し混合器６０に導かれて混合された後、配管６１を介し熱交換器５７に熱源として供給される。

また、配管４３に導かれた熱媒体（高温水）は熱交換器５７に供給される。この熱媒体は中圧節炭器３４の出口付近では飽和条件に近い所定圧力（例えば０．５ＭＰａ程度）及び所定温度（例えば１３０℃程度）となっている。配管４３を介し熱交換器５７に供給された熱媒体は、蒸気タービン５１及び圧縮機５３Ｂからの蒸気により所定温度（例えば１５０℃）まで加熱され蒸気に相変化する。この蒸気は高圧圧縮機５８によって所定圧力（例えば０．８ＭＰａ程度）まで圧縮され、所定温度（例えば２００℃程度）まで昇温した後、蒸気供給系統７０を介し熱利用施設１に供給される。一方、熱交換器５７で熱源として利用された蒸気は、熱を放出して凝縮する。

熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体と熱交換器５７で熱源として利用され凝縮した熱媒体は、それぞれ配管８２，８５を介し混合器８３に導かれて混合された後、適宜浄化処理（図示せず）された上で、配管８４及び循環ポンプ８１を介しボイラ３０に循環供給される。

次に、本実施形態における作用効果を説明する。

本実施形態においては、蒸気すなわち気体状態の熱媒体を熱利用施設１へ供給することにより、熱媒体を液体の状態のまま供給する場合に比べ、媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上させることができる。すなわち、例えば熱利用施設１で要求される熱媒体温度が５０℃だとして、ヒートポンプ５０から搬送されるまでの温度低下を考慮して１００℃の高温水を生成する場合、媒体重量当りの熱エネルギー量は計算上では０．２１ＭＪ／ｋｇである。これに対し、例えば１００℃の蒸気を生成する場合、潜熱が大きいので媒体重量当たりの熱エネルギー量は計算上では２．７ＭＪ／ｋｇとなる。この場合、蒸気を熱利用施設１へ供給することにより、高温水を供給する場合に比べて輸送する媒体重量当たりの熱エネルギーが１３倍も大きくなる。また、熱を輸送する動力を小さくできるので、本システムの設置場所は対応の熱利用施設１に近い範囲に限定されることもなく、幅広い適用が可能となる。

また、熱利用施設１において利用する蒸気を生成するためにヒートポンプ５０を用いることにより、ボイラ５０の熱エネルギー、言い換えればガスタービン１０に投入する燃料エネルギーに加えて、利用されることなく放出される熱利用施設１の廃熱や無限に存在する周囲環境の熱エネルギーを系内に取り込むことができ、エネルギー効率も飛躍的に向上させることができる。

また例えば、ボイラ３０の低圧節炭器３５に供給された熱媒体の温度が３０℃とすると、そのエンタルピは１２５ｋＪ／ｋｇであり、高圧過熱器３１で生成した過熱蒸気の温度が４５０℃とすると、そのエンタルピは３３１５ｋＪ／ｋｇであり、熱媒体に３１９０ｋＪ／ｋｇの熱量を加える必要がある。このとき、高圧蒸発器３２に流入する熱媒体（飽和水）の温度が２６９℃とすると、その状態から４５０℃の過熱蒸気に相変化するまでに要する熱量は２１３７ｋＪ／ｋｇとなり、ボイラ全体で必要となる交換熱量（３１９０ｋＪ／ｋｇ）の６７％を占める。また、高圧蒸発器３２にて排出ガスから熱媒体（飽和水）へ伝熱するためには、高圧蒸発器３２付近の排出ガスは、飽和温度（２６９℃）より１０℃以上高くなければならず、少なくとも２７９℃の温度が必要である。そして、例えばタービン１３から排出された排出ガスの温度が５６０℃だとすると、高圧蒸発器３２付近の２７９℃までに２８１℃低下することとなる。

一方、ボイラ３０に供給された３０℃の熱媒体を高圧蒸発器３２付近の２６９℃までに加熱するのに必要な熱量は１１７８ｋＪ／ｋｇである。この熱量は、２６９℃の熱媒体（飽和水）を４５０℃の過熱蒸気とするのに要する熱量（２１３７ｋＪ／ｋｇ）の５０％程度と小さく、ボイラ３０の排出ガス出口において排出ガス温度は１４０℃程度までしか下がらない。この場合、ボイラ３０の出口付近での排出ガス温度（１４０℃）と大気温度との差分の熱エネルギーが未利用のまま大気放出され、その分がエネルギーロスとなってしまう。

そこで本実施形態においては、大気放出される排出ガスの未利用の熱量を有効活用するために、低圧節炭器３５で高温水となった熱媒体（例えば１００℃程度）のうちの例えば４５％を分流してヒートポンプ５０の蒸発器５４に供給する。これにより、大気放出される排出ガスの未利用分の熱量を利用してヒートポンプ５０で加熱する熱媒体を予熱することができ、ヒートポンプ５０のエネルギー効率をさらに向上させることができる。また、大気放出される排出ガスＣの温度も低下させることができ、熱的なエネルギーロスも低減することができる。例えばボイラ３０に供給された３０℃の熱媒体を低圧節炭器３５で１００℃程度に加熱する場合、大気放出される排出ガスＣの温度は大気温度近く（例えば６０℃以下程度）まで低下し、燃焼器１２に投入した燃料エネルギーがほぼ全て回収される。

また、一般的なコジェネレーションシステムの総合効率は８０％程度であるが、それに比較して本システムの総合効率は極めて高く、計算上、総合効率８０％のシステムに対して本システムでは地球温暖化に影響するＣＯ_２の発生量を３７％程度も削減することが可能である。本システムにおける熱的損失は、ボイラ３０から大気放出される排出ガスＣと圧縮機１１に吸い込まれる大気Ａとの温度差分の熱量である。したがって、この熱損失よりも大きな熱量を蒸発器５４で外部から取り込めば本システムの総合効率は１００％を超える。

また、本実施形態では、蒸気タービン５１で得られた動力を電力に変換することなく、ヒートポンプ５０の二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂ，５８の駆動力に用いるので、電力変換に伴うエネルギー損失もない。また、蒸気タービン５１で膨張仕事をした蒸気を蒸発器５４で生成した蒸気と混合させ、熱交換器６３の熱源に利用するので、エネルギー効率を向上させることができる。

さらには、利用されることのない廃熱を大気放出する原動機設備、或いはボイラ設備等が既に存在している場合、そうした既存の設備を利用して容易にシステムを構築することができることも、本システムの大きなメリットである。

また、本実施形態では、熱利用施設１に供給する高圧蒸気を得るために、中圧ポンプ３９で加圧された熱媒体（高温水）を、熱交換器５７内で、圧縮機５３Ａ、５３Ｂで昇温昇圧された第１の蒸気と熱交換させることで蒸発させる構成としている。本構成の利点を以下に述べる。

比較例として、第１の蒸気を昇圧して高圧蒸気とする場合を考える。第１の蒸気は圧縮機５３Ａで０．０２ＭＰa程度と低圧であるため、高圧にするためには圧縮比の高い圧縮機を用いる必要がある。また、圧縮される蒸気には圧縮動力が供給されるため圧力とともに温度も上昇する。一般に圧力比が高くなるほど、また、作動流体の温度が高くなるほど圧縮機の設計は難しくなる。本比較例では、第１の蒸気の圧力を上げるためには性能の高い圧縮機を用いる必要がある。

一方、本実施形態では、熱媒体（高温水）を中圧ポンプ３９で加圧している。液体である水の状態で加圧しているため、気体である蒸気を圧縮する場合よりも技術的制約が少なく簡易な機器で圧縮可能である。また、中圧ポンプ３９で加圧される前の熱媒体（高温水）の圧力は０．４ＭＰa程度であり、圧縮前の圧力が０．０２ＭＰa程度の比較例と比べて求められる圧縮比ははるかに低い。このように本実施形態では、簡易な機構の圧縮手段で高圧蒸気を生成可能である。

なお、上記第１の実施形態では、ヒートポンプ５０は、ボイラ３０から供給された蒸気で駆動する蒸気タービン５１を有し、この蒸気タービン５１によって二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂ，５８を駆動する構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、蒸気タービン５１に代えて、例えばモータ（電動機）を設けてもよい。この変形例によるシステムを構築する場合、勿論、システム全体を新たに構築してもよいが、既設の原動機やボイラ等が存在する場合、それら既存設備に適宜改造を施しても構築可能である。

図２は、上記変形例によるエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。なお、この図２において、上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本変形例によるエネルギー供給システムは、上記ガスタービン１０と、このガスタービン１０から排出される燃焼ガス（排出ガス）を熱源とし、上記高圧過熱器３１、高圧蒸発器３２、高圧節炭器３３、及び蒸気ドラム４６を有するボイラ３０Ａとを備えた既存設備に改造を施して構築したものである。

上記中圧節炭器３４、低圧節炭器３５、及び中圧ポンプ３９を有するボイラ３０Ｂを追設してボイラ３０Ａの下流側に接続し、ヒートポンプ５０Ａを追設して３０Ｂに接続している。このヒートポンプ５０Ａは、二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂ，５８と同軸上に連結された電動機６３を有し、中圧圧縮機５３Ｂは配管６４を介し熱交換器５７に接続されている。そして、ボイラ３０Ｂの低圧節炭器３５で予熱された熱媒体がヒートポンプ５０Ａの蒸発器５４によって加熱され蒸気が生成されるように、またボイラ３０Ｂの中圧ポンプ３９で加圧され中圧節炭器３４で予熱された熱媒体がヒートポンプ５０Ａの熱交換器５７で加熱され蒸気が生成されるようにしている。そして、ヒートポンプ５０Ａの高圧圧縮機５８と熱利用施設１とを蒸気供給系統７０で接続し、熱利用施設１で熱利用され凝縮した熱媒体及びヒートポンプ５０Ａの熱交換器５７で熱利用され凝縮した熱媒体が循環ポンプ８１によってボイラ３０に循環されるように熱媒体循環系統８０を構成している。

このように構成された本変形例においても、上記第１の実施形態同様、システム全体の熱効率及びエネルギー供給効率を向上させることができる。

なお、上記第１の実施形態及び変形例においては、熱利用施設１に供給する熱媒体として水を用いた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、熱媒体は閉じた系を循環し外部に流出することがないので、例えば二酸化炭素やアンモニア、トリフルオロエタノール等を用いてもよい。また、熱媒体は単独の媒体を用いてもよいが、場合によっては複数種類の媒体を混合してもよい。また、熱媒体に無害かつ混合可能な媒体を用いる場合、必ずしも閉じた系にする必要はなく、その場合には蒸気タービン５１を駆動する熱媒体とヒートポンプ５０，５０Ａで過熱する熱媒体を異なる供給源から供給するように構成してもよい。さらに、複数種類の熱媒体を用いる場合、蒸気タービン５１を駆動する熱媒体とヒートポンプ５０，５０Ａで加熱する熱媒体を異なる熱利用施設に供給し、それぞれを閉じた系で循環させる場合には、必ずしも熱媒体は混合可能なものでなくてもよい。

本発明の第２の実施形態を図３により説明する。本実施形態は、ヒートポンプで生成した蒸気をガスタービンの燃焼器に供給する実施形態である。

図３は、本実施形態によるエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。なお、この図３において、上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、ヒートポンプ５０の熱交換器５７で生成され高圧圧縮機５８で圧縮された蒸気は、蒸気供給系統（気体供給系統）７１を介しガスタービン１０の燃焼器１２に供給され、例えば燃焼器１２内で噴射されるようになっている。これにより、燃焼ガス流量が増大して、タービン１３の出力を増加させることができる。また、窒素酸化物の発生を抑制することができ、排出ガスの浄化作用を得ることができる。なお、燃焼器１２に供給された蒸気は最終的に大気中に放出されるため、熱媒体循環系統８０Ａの混合器８３には配管８７を介し補給タンク８８が接続されている。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、システム全体の熱効率及びエネルギー供給効率を向上させることができる。また同様にして、既設の原動機やボイラを利用してシステムを構築することができる。また本実施形態においては、高圧の熱媒体を効率よく生成することができるので、例えば燃焼ガスの温度１５００℃程度、圧力２．０ＭＰａ超に達するような高性能ガスタービンにも供給することが可能である。

本発明のエネルギー供給システムの第１の実施形態の全体構成を表すシステムフロー図である。本発明のエネルギー供給システムの一変形例の全体構成を表すシステムフロー図である。本発明のエネルギー供給システムの第２の実施形態の全体構成を表すシステムフロー図である。

符号の説明

１熱利用施設
１０ガスタービン（原動機）
１２燃焼器
１３タービン
３０ボイラ
３９中圧ポンプ
５０ヒートポンプ
５１蒸気タービン
５３Ａ低圧圧縮機
５３Ｂ中圧圧縮機
５４蒸発器
５７熱交換器
５８高圧圧縮機
７０蒸気供給系統（気体供給系統）
７１蒸気供給系統（気体供給系統）
８０熱媒体循環系統

Claims

燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機と、
前記原動機からの排出ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラと、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器、及び前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機を有するヒートポンプとを備えたエネルギー供給システムであって、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを、前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、
前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、
前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、
前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを有することを特徴とするエネルギー供給システム。
請求項１記載のエネルギー供給システムにおいて、前記熱利用施設で熱利用されて凝縮した熱媒体及び前記熱交換器で熱利用されて凝縮した第２の蒸気のうち少なくとも一方を前記廃熱回収ボイラに循環させる熱媒体循環系統を有することを特徴とするエネルギー供給システム。
燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービンを有するガスタービンと、
前記タービンからの排ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラと、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器、及び前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機を有するヒートポンプとを備えたエネルギー供給システムであって、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを、前記圧縮機で昇温昇圧した前記第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、
前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、
前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、
前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気供給系統とを有することを特徴とするエネルギー供給システム。
請求項１乃至３のいずれか１項記載のエネルギー供給システムにおいて、前記熱交換器は、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の一部を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成し、前記廃熱回収ボイラは、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の残りを加熱して第３の蒸気を生成しており、前記ヒートポンプは、前記廃熱回収ボイラで生成した第３の蒸気により駆動する蒸気タービンを有し、該蒸気タービンは前記圧縮機と同軸に接続されていることを特徴とするエネルギー供給システム。
請求項４記載のエネルギー供給システムにおいて、前記蒸発器で生成した第１の蒸気と前記蒸気タービンで膨張仕事をした第３の蒸気を混合する混合手段を有し、前記熱交換器は、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体の一部を前記混合手段で混合した第１の蒸気及び第３の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成することを特徴とするエネルギー供給システム。
廃熱回収ボイラで熱媒体を予熱し、
予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により蒸発器で加熱して第１の蒸気を生成し、前記第１の蒸気を圧縮機で昇温昇圧し、
予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧ポンプで加圧し、前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記蒸発器で生成した第１の蒸気との熱交換により加熱して第２の蒸気を生成し、前記第２の蒸気を高圧圧縮機で圧縮して熱利用施設に供給することを特徴とするエネルギー供給方法。
既設の廃熱回収ボイラに熱媒体を流通させるようになし、
この廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器と、
前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機と、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、
前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、
前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、
前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。
燃焼エネルギーを駆動力に変換する既設の原動機に、この原動機の排出ガスにより熱媒体を加熱する廃熱回収ボイラを取り付け、さらに、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の一部を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して第１の蒸気を生成する蒸発器と、
前記第１の蒸気を昇温昇圧する圧縮機と、
前記廃熱回収ボイラで予熱した熱媒体の残りを前記昇温昇圧した第１の蒸気より圧力が高くなるように加圧する加圧ポンプと、
前記加圧ポンプで加圧した熱媒体を前記圧縮機で昇温昇圧した第１の蒸気により加熱して第２の蒸気を生成する熱交換器と、
前記熱交換器で生成した第２の蒸気を圧縮する高圧圧縮機と、
前記高圧圧縮機で圧縮した第２の蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。