JP4762555B2 - 発電淡水化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、海水の淡水化システムとガスタービン発電システムを複合化して真水と電気の両方を発電のエネルギー効率的に生産する技術を提供する。
しかしながら、前記排熱の利用には解決すべき課題が多い。
(1)海水には、高温に加熱すると析出する成分(イオン)が含まれており、熱交換器の加熱面が高温になるとスケールが析出し、伝熱特性の悪化、圧力損失の増大が生じ、ひいては運転不能となることもあり得る。
(2)ガスタービンからの排熱には、種々の温度レベルがあり、これらの排熱を海水の淡水化の熱源として利用しようとすると、排熱の温度によっては前記(1)のスケールの析出の問題が生じるおそれがある。
(3)ガスタービン発電システムでは、燃焼に必要な空気を圧縮する必要があるが、空気を圧縮すると高温になり、空気温度の上昇に伴って圧縮に要するエネルギーの増大を招く。そこで、圧縮空気を途中で抽気し、一旦冷却した後、再度圧縮することがあるが、圧縮空気の熱が利用されることはなかった。また、前述のガスタービンの排ガスの熱についても、一般的な排熱回収ボイラーにより回収された後は、ボイラー給水の予熱に使用される程度でそれ以外への利用は行われていなかった。
本発明は、上記の問題点を検討し、海水を高温の気体と熱交換する際に発生するスケールを最小限に抑えることができ、さらに発電と淡水化の総合的なエネルギー効率を最大にする方法を見出したものである。
ガスタービンの空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を熱源とする熱交換によって加熱された前記海水を、前記ガスタービンからの排気ガスを熱源とする熱交換によってさらに加熱することを特徴とする。
そして、本発明は、前記空気圧縮機の中間段から抽気する圧縮空気の温度を480℃以下とすることを特徴とする。
また本発明は、前記ガスタービンの排気ガス温度を480℃未満になるように制御し、ガスタービンの排気ガスを直接海水と熱交換することを特徴とする。
また本発明は、ガスタービンからの排気ガス温度を480℃以上になるように制御し、排気ガスを熱回収ボイラーに導入して水蒸気を発生させ、この水蒸気を蒸気タービンに導入して発電し、この蒸気タービンから排出された水蒸気の全部または一部を前記淡水化システムにおける海水の加熱の熱源に利用することを特徴とする。
また本発明は、前記空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を前記淡水化システムの海水の加熱の熱源の一部に利用して後段の空気圧縮機に戻す前に、該圧縮空気に水を噴射することを特徴とする。
また本発明は、前記噴射される水が、前記空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を淡水化システムの加熱の熱源の一部に利用し、さらに冷却されることによって生じる凝縮水と、前記淡水化システムで製造された淡水との、いずれか一方あるいは両方であることを特徴とする。
また、本発明は、前記噴射される水の量が、空気のウエットネス度を10%以下とする量であることを特徴とする。
また本発明は、前記淡水化システムが、多段フラッシュ蒸留法を用いることを特徴とする。
また本発明は、海水を淡水化システムの熱回収部に供給する前に、ナノフィルターを通すことにより2価のイオンを除去する前処理を施すことを特徴とする。
また本発明は、外部熱源によって加熱される海水の温度を基準値と比較し、基準値を超えた場合に、前記ナノフィルターによる処理を施した海水を前記淡水化システムの熱回収部に供給あるいはナノフィルターによる処理を施さない海水に混合して供給することを特徴とする。
また本発明は、前記海水の熱交換は、チューブ内に海水を流通させ、チューブの外側に前記空気圧縮機の中間段から抽気された圧縮空気、あるいは前記ガスタービンからの排気ガスを供給することにより行われることを特徴とする。
また本発明は、ガスタービン発電システムと、海水から蒸発手段を用いて淡水を得る淡水化システムを複合化してなる発電、淡水化装置において、ガスタービンの空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を熱源として、前記海水を加熱する第2の熱交換器と、該第2の熱交換器で熱交換された圧縮空気を前記空気圧縮機の中間段へ戻す管路と、前記ガスタービンからの排気ガスを熱源として、前記第2の熱交換器において加熱された前記海水をさらに加熱する第1の熱交換器とを有することを特徴とする。
また、本発明は、ガスタービン発電システムと、海水から蒸発手段を用いて淡水を得る淡水化システムを複合化してなる発電、淡水化装置において、ガスタービンの空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を熱源として、前記海水を加熱する第2の熱交換器と、該第2の熱交換器で熱交換された圧縮空気を前記空気圧縮機の中間段へ戻す管路と、前記ガスタービンからの排気ガスを熱源とする排熱回収ボイラーと、前記排熱回収ボイラーから回収される排スチームを熱源として、前記第2の熱交換器において加熱された前記海水をさらに加熱する第1の熱交換器とを有することを特徴とする。
また、本発明によれば、海水と熱交換する空気圧縮機の抽気空気の温度を480℃以下とすることにより、熱交換器の海水加熱側の伝熱面の温度を低くすることができるのでスケールの発生を抑制できる。
また、海水と熱交換するガスタービンからの排気ガス温度を480℃未満になるように制御して運転する場合には、その排気ガスと海水とを直接熱交換しても、上記と同様にスケールの発生を抑制した状態で熱回収できる。
さらに排気ガス温度を480℃以上になるように制御して運転する場合には、排気ガスをを排熱回収ボイラで水蒸気を発生させその水蒸気でスチームタービンを駆動して発電させた後の、480℃以下、一般的には150℃以下になったスチームタービン出口水蒸気と海水とを熱交換するので、熱交換器の伝面が480℃以上に加熱されないのでスケールの発生を抑制できる。
さらにまた、必要に応じて発電装置の排熱との熱交換に用いられる海水をナノフィルタによって処理することができるので、スケールの原因となる2価のイオン、例えばCa2+、Mg2+、SO4 2− 、が除去された海水を加熱することができ、したがって、スケール発生防止の見地から制限されていた熱交換器の熱源温度を高めることができ、より高い効率で海水を加熱することができる。
図1は第1の実施形態を示すものである。この複合プラントは、発電装置と、海水淡水化装置とから構成されている。
前記発電装置は、内燃機関であるガスタービン1、該ガスタービン1により駆動される発電機2を基本構成としている。また前記海水淡水化装置は、加熱された海水をフラッシュさせて淡水を得る多段蒸発装置5と、該多段蒸発装置5に供給される海水と前記発電プラントから供給されるガスタービン排気ガスおよび抽気した圧縮空気との間でそれぞれ直接熱交換する第1、第2の熱交換器6、7とを基本構成としている。
蒸発器31の内部には複数の蒸発室が設けられ、上部にはフラッシュ後に復水した水を受け取る受け皿33が設けられている。また蒸発器31は、仕切板34によって複数に仕切られている。この蒸発器内の海水は、フラッシュを繰り返すことにより、温度、圧力が次第に低減するようになっている。同様に、蒸発器32にも受け皿33が設けられていて、復水した水蒸気を受け取るようになっている。
符号40はポンプであって、このポンプ40から吐出された海水は熱放出部の熱交換チューブ41を介して蒸発器32内を通り、蒸発器32内のフラッシュで生じた水蒸気を冷却凝縮させる。また、前記熱交換チューブ41を出た海水は分岐され、一部は管路42を経て放流され、一部は前処理装置43に接続されている。この前処理装置43では、溶存CO2や酸素を除去したり、あるいはスケール抑制剤を添加する装置、すなわち従来知られている脱気装置やスケール抑制や防止のための前処理装置を備え、さらにナノフィルター設備を設けるのが好ましい。前記海水は、この前処理装置43に付設されたナノフィルター43を経ることによってスケールの原因となる2価のイオン、例えばCa2+、Mg2+、SO4 2− 、が除去されるようになっている。また、ナノフィルター43を通って前記2価のイオンが除去された海水は、ポンプ44によって蒸発器31内の熱交換チューブ45に供給されて蒸発器31内のフラッシュで生じた水蒸気を冷却凝縮することにより予熱された後、前記第1の熱交換器6の入口側の第1の海水配管61、前記第2の熱交換器7の入口側の第2の海水配管62に接続されている。なお、前処理装置を蒸発器32の外に設けた例で説明したが、脱気装置などを蒸発器32の内部に設けてもよい。
ポンプ40によって多段蒸発装置5の第1の蒸発器32の熱交換チューブ41、第2の蒸発器31の熱交換チューブ45へ供給された原料海水は、内部のフラッシュ蒸気と熱交換されて温度が上昇する。
本発明においては、ガスタービン1からの排気ガス温度が所定の値、具体的には480℃を境としてガスタービン1からの排気ガスを受け取る設備構成が異なり、この実施形態では、排気ガスの温度が480℃未満であるので、ガスタービン1の排気ガスを第1の熱交換器6への海水配管61中の海水と直接熱交換する方式が採用されている。 また、第2の熱交換器7への海水配管62へ分岐された海水は、熱交換器7によって、ガスタービン1の圧縮部10から抽気された圧縮空気と熱交換され、加熱される。
場合によっては、前記熱交換チューブ45を通って予熱された海水は、分岐されることなく、第2の熱交換器7を経て、更に、第1の熱交換器6を経て加熱されても良い。
一般的な成分の海水では、伝熱面における海水温度が120℃を超えると、前記2価のイオンに起因するスケールの発生が著しくなるので、海水の加熱温度は120℃以下で行われる。しかし、ナノフィルターによって2価のイオンを除去することにより、スケールの発生を抑えて高温にすることができ、2価のイオンの除去具合によっては、170℃〜180℃もの高温まで加熱することができ、高温の熱源を利用して効率の良い熱交換を行うことができる。
ガスタービン1においては、その空気圧縮部10の中間段から抽気した480℃以下の温度の圧縮空気を海水と直接第2の熱交換器7を介して熱交換し、冷却された圧縮空気を空気圧縮部10の後段に戻し、さらに昇圧して圧縮された空気を燃料に添加して燃焼部12で燃焼させ、さらに燃焼ガス膨張部11で膨張させるとともに運動エネルギーに変換し、発電機2を駆動して発電する。また、ガスタービン1の排気ガスが480℃以下になるように制御されており、その480℃以下の排気ガスは海水と第1の熱交換器6を介して直接熱交換される。
この第2の実施形態は、ガスタービン1の排気ガス温度を480℃以上に制御する場合の例で、前記第1の実施形態における熱交換器6の前段に、ガスタービン1の排熱を回収する排熱回収ボイラ70およびこの排熱回収ボイラ70により発生した蒸気により駆動される蒸気タービン71を設けた基本構成を有している。
ガスタービン1の燃焼ガス膨張部11の排気ガスが排出される排出管路60には、前記熱交換器6に代えて、排熱回収ボイラ70が設けられている。この排熱回収ボイラ70の熱交換チューブ72内で前記排気ガスと熱交換されて生じた水蒸気は、前記蒸気タービン71に供給されて運動エネルギに変換され、該蒸気タービン71によって発電機73が駆動され発電されるようになっている。
1.ガスタービンの圧縮工程における圧縮空気の中間冷却により、ガスタービンの熱効率を高め、以て発電の高効率化が図られる。
2.中間冷却後の空気流への凝縮水の噴霧により、発電の高効率化が図られる。
3.ガスタービン燃焼圧力の高圧化により、発電と淡水の製造の高効率化が図られる。なお、熱効率の面から見て、燃料の噴射圧力は10〜30kg/cm2、ガスタービンの排気温度は、400℃ないし550℃の範囲とすることが望ましい。
さらに、前記排出管路60の途中に熱媒体(例えば水より沸点の高いオイル)を用いた熱交換器を設け、この熱交換器によって海水を加熱するようにしてもよい。
1 発電機 5 多段蒸発装置 6、6A 第1の熱交換器
7 第2の熱交換器 10 空気圧縮部 11 燃焼ガス膨張部
12 燃焼部 24 管路 25 管路
26 水噴射装置 31 蒸発器(熱回収部)
32 蒸発器(熱放出部) 33 受け皿 34 仕切板
41 熱交換チューブ(熱放出部) 43 前処理装置
45 熱交換チューブ(熱回収部) 60 排気管路
61 第1の海水配管 62 第2の海水配管 70 排熱回収ボイラー
71 蒸気タービン
Claims (9)
- ガスタービン発電システムと、海水から蒸発手段を用いて淡水を得る淡水化システムを複合化して電気および淡水を得る方法において、ガスタービンの空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を熱源とする熱交換によって加熱された前記海水を、前記ガスタービンからの排気ガスを熱源とする熱交換によってさらに加熱する発電、淡水化方法であって、
前記加熱される海水の温度を基準値と比較し、基準値を超えた場合に、ナノフィルターを通すことにより2価のイオンを除去する前処理を施された海水を前記淡水化システムの熱回収部へ供給することを特徴とする発電、淡水化方法。 - 前記空気圧縮機の中間段から抽気する圧縮空気の温度を480℃以下とすることを特徴とする請求項1記載の発電、淡水化方法。
- 前記ガスタービンからの排気ガス温度を480℃未満になるように制御し、ガスタービンの排気ガスを直接海水と熱交換することを特徴とする請求項1または2記載の発電、淡水化方法。
- ガスタービンからの排気ガス温度を480℃以上になるように制御し、排気ガスを熱回収ボイラーに導入して水蒸気を発生させ、この水蒸気を蒸気タービンに導入して発電し、この蒸気タービンから排出された水蒸気の全部または一部を前記淡水化システムにおける海水の加熱の熱源に利用することを特徴とする請求項1または2記載の発電、淡水化方法。
- 前記空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を前記淡水化システムの海水の加熱の熱源の一部に利用して後段の空気圧縮機に戻す前に、該圧縮空気に水を噴射することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発電、淡水化方法。
- 前記噴射される水が、前記空気圧縮機の中間段から抽気した圧縮空気を淡水化システムの加熱の熱源の一部に利用し、さらに冷却されることによって生じる凝縮水と、前記淡水化システムで製造された淡水との、いずれか一方あるいは両方であることを特徴とする請求項5に記載の発電、淡水化方法。
- 前記噴射される水の量が、空気のウエットネス度を10%以下とする量であることを特徴とする請求項5に記載の発電、淡水化方法。
- 前記淡水化システムが、多段フラッシュ蒸留法を用いることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の発電、淡水化方法。
- 前記基準値が120℃であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の発電、淡水化方法。
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