JP4701816B2

JP4701816B2 - 蒸気供給システム

Info

Publication number: JP4701816B2
Application number: JP2005129509A
Authority: JP
Inventors: 修一梅沢
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006308164A

Description

本発明は、ボイラを備えた蒸気供給システムに関する。

蒸気供給システムとしては、ボイラの燃焼部で燃料を燃焼させて水などの被加熱媒体を加熱する構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２４９４５０号公報

ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（８０％）である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気供給システムに関して、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高い蒸気供給システムを提供することにある。

本発明は、蒸気供給システムであって、燃焼部を有するボイラと、ヒートポンプとを備えてなり、被加熱媒体に対する比較的低温域の加熱に前記ヒートポンプを用い、比較的高温域の加熱に前記ボイラを用いることを特徴とする。

この場合、前記被加熱媒体の初期温度に基づいて、前記ヒートポンプの加熱温度域を変化させるのが好ましい。

例えば、所定の基準温度に対して前記被加熱媒体の初期温度が高い場合には前記ヒートポンプの加熱温度を高くし、前記被加熱媒体の初期温度が低い場合には前記ヒートポンプの加熱温度を低くするのが好ましい。

上記の蒸気供給システムにおいて、前記ヒートポンプで使用されるエネルギーを蓄えるエネルギー蓄積部をさらに備える構成とすることができる。

また、前記エネルギー蓄積部は、夜間電力を利用して前記エネルギーを蓄えることが好ましい。

この場合、前記エネルギー蓄積部は、蓄電装置を含む構成とすることができる。

また、上記の蒸気供給システムにおいて、前記ヒートポンプ回路で加熱された前記被加熱媒体を蓄える蓄熱槽をさらに備える構成とすることができる。

また、上記の蒸気供給システムにおいて、前記ボイラへの供給ガスと前記ボイラからの排出ガスとを熱交換させる熱交換器をさらに備える構成とすることができる。

本発明の蒸気供給システムによれば、ボイラとヒートポンプとの併用により、エネルギー効率の向上を図ることができる。さらに、被加熱媒体の初期温度に基づいて、ヒートポンプの加熱温度域を変化させることにより、エネルギー利用のさらなる効率化が図られる。
さらに、この蒸気供給システムにおいて、ヒートポンプで使用されるエネルギーを蓄えるエネルギー蓄積部をさらに備えることにより、夜間電力の利用が可能となり、運転コストの低減を図ることができる。

以下、本発明の蒸気供給システムについて図面を参照して説明する。

図１は、本発明の蒸気供給システムを概念的に示す図である。
図１において、蒸気供給システム１０は、燃焼部を有するボイラ２０と、ヒートポンプ３０と、被加熱媒体（本例では水）の供給経路４０とを備えて構成されている。

ボイラ２０は、油やガスなどの燃料を燃焼させてその燃焼熱によって水を加熱・蒸発させるものであり、燃料供給部２１、燃焼部２２、及び熱伝達部２３等を有している。水の供給経路４０は熱伝達部２３に接続されており、熱伝達部２３において水への加熱が行われる。ボイラ２０としては公知の様々な形態が適用可能である。また、被加熱媒体としては、水に限らず、水とアンモニアの混合物など他の媒体でもよい。

ヒートポンプ３０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置であり、エネルギー利用効率が比較的高く、また、ＣＯ_２等の化学物質の排出量が比較的少ないという利点を有する。

具体的に、ヒートポンプ３０は、蒸発器３１、圧縮機３２、凝縮器（熱交換器３３）、及び膨張弁３４等を含む熱媒体回路を有する。膨張弁３４及び蒸発器３１は、減圧・膨張機能及び吸熱機能を有し、熱媒体が蒸発する際、その蒸発熱に相当する熱をサイクル外の熱源（大気）から吸収する。また、圧縮機３２及び凝縮器（熱交換器３３）は圧縮機能及び放熱機能を有し、熱媒体が凝縮する際、その凝縮熱に相当する熱をサイクル外の熱源（被加熱媒体：水）に与える。ヒートポンプ３０の熱媒体としては、フロン系媒体、アンモニア、水などの公知の様々な熱媒体が適用される。

この蒸気供給システム１０では、被加熱媒体である水の流れ方向に関して、上流側にヒートポンプ３０が配設され、下流側にボイラ２０が配設される。すなわち、加熱部としてのヒートポンプ３０の熱交換器３３が、水の供給源とボイラ２０との間に配される。被加熱媒体である水は、ヒートポンプ３０の冷媒との熱交換により温度上昇する。その後、その水はボイラ２０に投入され、熱伝達部２３において燃焼部２２の熱を受けてさらに温度上昇して蒸発する。蒸気供給システム１０からの蒸気は、外部の所定設備、例えば製造設備、調理設備、空調設備、発電設備などに供給される。

このように、この蒸気供給システム１０では、被加熱媒体（水）に対する加熱温度領域のうち、比較的低温域の加熱にヒートポンプ３０を用い、比較的高温域の加熱にボイラ２０を用いる。例えば、２０℃〜９０℃までの加熱にヒートポンプ３０を用い、９０℃〜１６１℃の加熱にボイラ２０を用いる。

ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（約８０％）であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。したがって、この蒸気供給システム１０によれば、被加熱媒体に対する加熱温度領域の一部について、エネルギー利用効率の高いヒートポンプ３０を用いることにより、エネルギー効率の向上が図られる。

ここで、試算例を示す。水の加熱温度領域を２０℃〜１６１℃（０．８ＭＰａの飽和蒸気）とし、この温度領域のすべての加熱にボイラを用いた場合、所要一次エネルギーは約３３５×１０^４Ｊ／ｋｇである。これに対して、２０℃〜９０℃までの加熱にヒートポンプを用い、９０℃〜１６１℃の加熱にボイラを用いる場合、所要一次エネルギーは約３１４×１０^４Ｊ／ｋｇとなる。すなわち、ヒートポンプとボイラとの併用により、約６．２％の一次投入エネルギーが低減される。なお、上記試算では、ボイラ効率を８０％、ヒートポンプのＣＯＰを５、発電効率（送電端、送電ロス含む）を３８％、とした。また、ボイラの一次投入エネルギーは燃料熱量から求め、ヒートポンプの一次投入エネルギーは電力を燃料換算して求めた。

図２は、ヒートポンプによる加熱温度領域と、節約される一次投入エネルギーとの関係を示すグラフ図である。
図２のグラフでは、初期水温Ｔ_０（℃）を横軸とし、温度領域のすべての加熱にボイラを用いるのに比べて節約されるエネルギー（％）を縦軸とした。また、水の初期水温Ｔ_０（ヒートポンプへの投入温度）が０℃、１０℃、３０℃、４０℃、ヒートポンプによる上昇時の水温Ｔ_Ｈ（ボイラへの投入温度）が７０℃、８０℃、９０℃、１００℃、の各条件について試算結果をプロットした。試算では、初期水温Ｔ_０と上昇水温Ｔ_Ｈとからカルノー効率を求め、これから算出される理論ＣＯＰに所定の換算係数（０．７）を乗じたものを、ヒートポンプのＣＯＰとして用いた。また、ボイラ効率を８０％、発電効率（送電端、送電ロス含む）を３８％とした。

図２から明らかなように、初期水温Ｔ_０が０℃、ヒートポンプによる上昇水温Ｔ_Ｈが１００℃のとき、節約されるエネルギーの割合が最も小さく（約３．０％）、初期水温Ｔ_０が４０℃、ヒートポンプによる上昇水温Ｔ_Ｈが１００℃のとき、節約されるエネルギーの割合が最も大きい（約５．３％）。また、初期水温Ｔ_０が比較的低い（０℃、１０℃）場合、ヒートポンプによる上昇水温Ｔ_Ｈが比較的低いほうが節約されるエネルギーの割合が大きく、また、初期水温Ｔ_０が比較的高い（３０℃、４０℃）場合、ヒートポンプによる上昇水温Ｔ_Ｈが比較的高いほうが節約されるエネルギーの割合が大きい。

すなわち、ボイラとヒートポンプとを併用した蒸気供給システムでは、被加熱媒体（水）の初期温度に基づいて、ヒートポンプの加熱温度域を変化させることにより、エネルギー利用のさらなる効率化が図られる。具体的には、ある基準温度（例えば約２０℃）に対して被加熱媒体の初期温度が高い場合にはヒートポンプの加熱温度（上昇時の水温）を高くし、被加熱媒体の初期温度が低い場合にはヒートポンプの加熱温度（上昇時の水温）を低くする。例えば、ヒートポンプによる水に対する加熱温度域の基準を２０℃〜９０℃と定めるとき、初期水温が２０℃未満（例えば０℃）の場合には、ヒートポンプの加熱温度を低くする（例えば７０℃）。逆に、初期水温が２０℃を越える（例えば４０℃）場合には、ヒートポンプの加熱温度を高くする（例えば１００℃）。
こうしたヒートポンプ３０の加熱温度域の制御は、例えば、ヒートポンプ３０の運転パターンを変化させることにより行うことができる。

図３は、図１の蒸気供給システム１０の部分構成の概念図であり、ヒートポンプ３０の運転パターンを制御する制御系５０の構成例を示している。
図３に示すように、制御系５０は、水の供給経路４０に配設される温度センサ５２，５３と、温度センサ５２，５３の計測結果に基づいてヒートポンプ３０の運転パターンを制御する制御器５５とを含んで構成される。

温度センサ５２は、熱交換器３３の上流位置に配設され、水の初期温度（初期水温Ｔ_０）を計測し、温度センサ５３は、熱交換器３３の下流位置に配設され、ヒートポンプ３０の加熱温度（上昇水温Ｔ_Ｈ）を計測する。温度センサ５２の計測結果（Ｔ_０）及び温度センサ５３の計測結果（Ｔ_Ｈ）は制御器５５に供給される。制御器５５は、温度センサ５２，５３の各計測結果に基づいて、システム１０全体が最適効率となるように、ヒートポンプ３０の運転パターンを制御する。運転パターンの制御は、例えば、圧縮機３２の吐出圧の制御により行われる。例えば、制御器５５は、ある基準の初期温度（例えば２０℃）に対して初期水温（Ｔ_０）が高い場合にはヒートポンプ３０の加熱温度（上昇水温Ｔ_Ｈ）を基準値（例えば９０℃）よりも高くし、初期水温（Ｔ_０）が低い場合にはヒートポンプ３０の加熱温度（上昇水温Ｔ_Ｈ）を基準値（例えば９０℃）よりも低くする。

このような構成により、蒸気供給システム１０では、被加熱媒体（水）の初期温度に基づいて、エネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

図４は、本発明の蒸気供給システムをプラント設備に適用した実施の形態例を示す構成図である。なお、この図４において、図１と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図４に示すように、蒸気供給システム１０は、燃焼部を有するボイラ２０と、ヒートポンプ３０と、被加熱媒体（水）の供給経路４０とを備える。そして、被加熱媒体の加熱に対してボイラ２０とヒートポンプ３０とを併用することにより、エネルギー利用の効率化が図られている。
さらに、この蒸気供給システム１０は、エネルギー蓄積部６０と、熱交換器７０とを備えている。

エネルギー蓄積部６０は、ヒートポンプ３０で使用されるエネルギーを蓄えるものであり、蓄電装置を含んで構成される。蓄電装置としては、揚水発電システム、フライホイール、ＮＡＳ電池 (ナトリウム・硫黄電池)やレドックスフロー電池等の蓄電池、などの電力貯蔵に適した公知の様々な種類のものが適用される。蓄電装置に蓄えられた電力は、ヒートポンプ３０の動力エネルギー（圧縮機の動力源など）の少なくとも一部に使用される。また、エネルギー蓄積部６０では、夜間電力を利用してエネルギー（電力及び／又は熱）を蓄える。比較的安価な夜間電力を利用することにより、ヒートポンプ３０の運転コストの低減が図られる。

熱交換器７０は、ボイラ２０への供給ガスとボイラ２０からの排出ガスとを熱交換させるものである。すなわち、ボイラ２０では、圧縮機７１で圧縮された空気が燃焼部に送り込まれるとともに、燃焼時に発生したガスが排気塔７２をを介して外部に排出される。熱交換器７０は、排出ガス（例えば１６０℃）の熱を空気（例えば２０℃）に与えてその空気を温度上昇させる（例えば８０℃）。その結果、燃焼部に供給される空気が予熱され、この空気予熱によりボイラ２０の燃焼効率の向上が図られる。

図５は、図４の変形例を示す構成図である。なお、この図５において、図１及び図４と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図５に示すように、蒸気供給システム１０は、ヒートポンプ３０で加熱された被加熱媒体を蓄える蓄熱槽８０を備えており、必要に応じて、蓄熱槽８０に蓄えられた被加熱媒体をボイラ２０に投入して蒸気を発生させる。この蒸気供給システム１０では、蓄熱槽８０を備えることにより、ヒートポンプ３０による比較的低温域の加熱のタイミングと、ボイラ２０による比較的高温域の加熱のタイミングとをずらすことができる。

例えば、比較的安価な夜間電力を利用して、蒸発する手前の温度までヒートポンプ３０で被加熱媒体（例えば水）を加熱し、その被加熱媒体を、比容積が蒸気に比べて小さい高温液体（例えばお湯）の状態で蓄熱槽８０に蓄えておく。そして、必要に応じて、蓄熱槽８０内の被加熱媒体をボイラ２０に投入して蒸気を発生させる。この場合、比較的安価な夜間電力を利用することにより、ヒートポンプ３０の運転コストの低減が図られる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の蒸気供給システムを概念的に示す図である。ヒートポンプによる加熱温度領域と、節約される一次投入エネルギーとの関係を示すグラフ図である。図１の蒸気供給システムの部分構成の概念図であり、ヒートポンプの運転システムを制御する制御系の構成例を示している。本発明の蒸気供給システムをプラント設備に適用した実施の形態例を示す構成図である。図４の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…蒸気供給システム、２０…ボイラ、２１…燃料供給部、２２…燃焼部、２３…熱伝達部、３０…ヒートポンプ、３１…蒸発器、３２…圧縮機、３３…熱交換器（凝縮器）、３４…膨張弁、３６…熱交換器、４０…供給経路、５０…制御系、７０…熱交換器、５２，５３…温度センサ、５５…制御器、６０…エネルギー蓄積部、８０…蓄熱槽。

Claims

被加熱媒体に対する比較的低温域の加熱に用いられるヒートポンプと、
前記被加熱媒体に対する比較的高温域の加熱に用いられるボイラと、
前記ヒートポンプを制御する制御系と、を備え、
前記制御系は、前記被加熱媒体の初期温度に基づいて、前記ヒートポンプ及び前記ボイラを含むシステム全体が最適効率となるように、前記ヒートポンプによる加熱後の前記被加熱媒体の温度を変化させ、
所定の基準温度に対して前記被加熱媒体の初期温度が高い場合には前記ヒートポンプによる加熱後の前記被加熱媒体の温度を所定の基準値に比べて高くし、前記所定の基準温度に対して前記被加熱媒体の初期温度が低い場合には前記ヒートポンプによる加熱後の前記被加熱媒体の温度を前記所定の基準値に比べて低くすることを特徴とする蒸気供給システム。
前記被加熱媒体の初期温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記制御系は、前記温度センサの計測結果に基づいて、前記ヒートポンプの圧縮機の吐出圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプで使用されるエネルギーを蓄えるエネルギー蓄積部をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気供給システム。
前記エネルギー蓄積部は、夜間電力を利用して前記エネルギーを蓄えることを特徴とする請求項３に記載の蒸気供給システム。
前記エネルギー蓄積部は、蓄電装置を含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を蓄える蓄熱槽をさらに備え、
前記制御系は、前記ヒートポンプによる前記比較的低温域の加熱のタイミングと、前記ボイラによる前記比較的高温域の加熱のタイミングとをずらす、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の蒸気供給システム。
前記ボイラへの供給ガスと前記ボイラからの排出ガスとを熱交換させる熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の蒸気供給システム。