JP4972708B2 - 蒸気を利用するプラント及びそのプラントの運転方法並びに蒸気供給装置及び蒸気供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気を利用するプラント及びそのプラントの運転方法並びに蒸気供給装置及び蒸気供給方法に係り、特に、火力発電プラント及び原子力発電プラントに適用するのに好適な蒸気を利用するプラント及びそのプラントの運転方法並びに蒸気供給装置及び蒸気供給方法に関する。

火力発電プラント及び原子力発電プラント等の外熱機関はランキンサイクルを基本とする。ランキンサイクルは、凝縮性の蒸気を作動媒体とするサイクルであり、次の４つの過程からなる。（１）給水を加熱し熱水を生成する。（２）熱水をさらに加熱して蒸気を生成する。（３）蒸気をタービンに送り膨張させて動力を得る。（４）蒸気を凝縮して給水とする。通常の発電プラントでは、これらの４つの過程を、次のように各機器に割り当てる。発電プラントでは、（１）及び（２）をボイラ、及び沸騰水型原子力発電プラントの原子炉等の蒸気発生装置が担い、（３）を蒸気タービンが担い、（４）を復水器が担っており、作動媒体を定常的に循環させる。

ランキンサイクルの効率を向上する方法として、通常、再生過程が用いられている。再生過程では、過程（１）での給水の加熱がタービンから抽気した蒸気を用いて行われ、タービンからの抽気により熱が回収される。抽気に伴いタービン出力は減少するが、回収した熱が給水の加熱に有効に使われるため、熱効率が向上する。また、タービン内の湿り度を抑制するため、過程（３）における蒸気の膨張の途中で、蒸気を再加熱する再熱過程が、通常、用いられる。付加的な効果として熱効率及び出力が増加する。

凝縮性の蒸気を作動媒体に対しても、より効率の高いカルノーサイクルを実現する蒸気機関が、岩波講座 基礎工学８ 熱力学III、２３１頁〜２５２頁（小野 周、岩波書店、（１９７１年１月７日発行））に記載されている（特に、２３４頁〜２３６頁、図６．３参照）。この蒸気機関は、ランキンサイクルの過程（１）に代わり、蒸気の凝縮により生成された給水、及び未凝縮な蒸気を一緒に圧縮して熱水を生成している。この過程を圧縮液化過程と称する。

以上に述べた従来技術のうち、再生過程では、タービンからの蒸気の抽気点を無数にとって連続抽気にすることによって、理論上、最大の熱効率を得ることができる。しかしながら、実用上は、蒸気の抽気点を有限にせざるを得ず、再生過程では熱効率を向上させる余地が残されている。

特開２００８−２４１３号公報は、図９に蒸気ヒートポンプシステムの例を記載している。この蒸気ヒートポンプは、蒸発器、複数の圧縮機及び複数の冷却塔を備えている。複数の圧縮機は、上流に位置する圧縮機の蒸気吐出口に下流に位置する圧縮機の蒸気流入口を接続することによって、互いに直列に接続される。各冷却塔は、圧縮機と圧縮機の間に配置される。蒸発器で発生した蒸気は、最も上流の圧縮機で圧縮されて温度が上昇し、冷却塔で冷却される。冷却塔で冷却された蒸気は、下流に位置する他の圧縮機で圧縮されて温度が上昇し、他の冷却塔に供給されて冷却される。このように、蒸気ヒートポンプでは、圧縮機による蒸気の圧縮及び冷却塔による圧縮された蒸気の冷却が繰り返される。

特開平５−６５８０８号公報は、熱併給蒸気タービンプラントを記載している。この熱併給蒸気タービンプラントは、ボイラで発生した蒸気をタービンに供給して発電機を回転させて電力を発生し、そのタービンから排気された蒸気を高圧プロセス蒸気供給先及び低圧プロセス蒸気供給先にそれぞれ供給する。高圧プロセス蒸気供給先に供給される蒸気は、タービンから排気された蒸気を圧縮機で圧縮している。

実開平１−１２３００１号公報は、復水器から供給した蒸気を一台の圧縮機で圧縮し、圧縮された蒸気を、圧縮機の、軸方向における複数箇所から４基の給水加熱器に供給する火力発電プラントを記載している。

特開２００８−２４１３号公報 特開平５−６５８０８号公報 実開平１−１２３００１号公報 岩波講座 基礎工学８ 熱力学III、２３１頁〜２５２頁（小野 周、岩波書店、（１９７１年１月７日発行））

圧縮液化過程では、理論上の最大熱効率が得られる可能性がある。しかしながら、熱力学III、２３４頁〜２３６頁及び図６．３（小野 周、岩波書店、（１９７１年１月７日発行））に記載された、カルノーサイクルを実現する蒸気機関では、気体である蒸気及び液体である給水を混合した状態で圧縮している。このように気体と液体を混合した状態で圧縮した場合には、気体と液体の密度比が大きく、密度の均一性が保たれず圧縮効率が低下する。図６．３に記載された蒸気機関では、圧縮液化過程のみで熱水を得るため、混合された蒸気及び給水を、高い圧力比での圧縮する必要がある。このため、その蒸気機関では、シリンダー式の圧縮機が用いられている。これは、シリンダー内のピストンの往復運動の一方でのみ圧縮するため、脈動により定常的な作動が不可能である。また、シリンダー式は、大容量化が難しく、事業用の発電プラントへの適用は容量的にも困難である。

特開２００８−２４１３号公報は、複数の圧縮機で蒸気を圧縮して温度を高めた蒸気を需要先に供給することを記載しているだけで、蒸気発生装置に供給する液体の温度を高めることに言及していない。圧縮された蒸気に散布される水は圧縮された蒸気の冷却に用いられるだけである。

特開平５−６５８０８号公報は、タービンから排気された蒸気を圧縮機で圧縮して高圧プロセス蒸気供給先に供給することを記載している。この特開平５−６５８０８号公報も蒸気発生装置に供給する液体の温度を高めることに言及していない。

実開平１−１２３００１号報は、火力発電プラントで発生する蒸気の一部を圧縮して給水を加熱するという技術思想を開示している。その一方で、実開平１−１２３００１号公報は、火力発電プラント等の蒸気を利用するプラントのカルノーサイクル化の技術思想については、全く言及していない。発明者らは、この技術思想を詳細に検討した。こ
の検討結果を以下に説明する。
実開平１−１２３００１号公報の第３図は熱サイクルの状態線図であり、火力発電プラントの各部におけるエンタルピー及びエントロピーを表している。この状態線図によれば、復水器の蒸気は第４段給水加熱器まで飽和線上を蒸気圧縮機で圧縮される。一方、蒸気圧縮機の複数の中間段落から抽気された蒸気は別々の給水加熱器に供給され、給水をそれらの給水加熱器によって飽和線に沿って加熱する。
しかしながら、蒸気圧縮機を用いた蒸気圧縮は、損失が無いと仮定した理想的な場合でも、等エントロピー的な変化である。すなわち、熱力学的には、エントロピーが一定で、エンタルピーが増えることが求められる。実開平１−１２３００１号公報では、蒸気を圧縮する過程で給水の一部を蒸気圧縮機内でミスト状に噴霧し、蒸気のエントロピーを減少させている。蒸気圧縮機の段落途中（回転部）にミストを噴霧することは、蒸気圧縮機の減肉等を招くので、困難である。実開平１−１２３００１号公報においても、復水器に流入した蒸気を蒸気圧縮機で供給する際、蒸気圧縮機に供給する蒸気に含まれるミストを除去している。実開平１−１２３００１号公報の記載を考慮すれば、給水をミスト状に噴霧することが可能な位置は、蒸気の圧縮過程において、直列に接続された複数段の蒸気圧縮機の各出口などの静止部に限定される。したがって、第３図の状態線図では、エントロピーに対するエンタルピーの変化は、蒸気圧縮機の各段ごとに、一旦、等エントロピー的にエンタルピーが上昇し、エンタルピーがミストの噴霧によりその飽和線に戻るといったジグザグな線で示されるべきである。

一方、実開平１−１２３００１号公報では蒸気圧縮機で飽和線に沿って状態が変化しているが、これは、段数が十分多く、ジグザグな線が実質上、飽和線に近いことを前提としていると考えられる。また、蒸気圧縮機の段数が十分多い一方で、給水加熱器への抽気は４段であり、両者の段数が一致していない。このため、前述した非特許文献１での蒸気機関のカルノーサイクル化の技術思想、すなわち、気体である蒸気及び液体である給水を混合した状態で圧縮しカルノーサイクルを実現するという技術思想を反映していない。

実開平１−１２３００１号公報に記載されたそのような火力発電プラントは、よりカルノーサイクルに近づけることを狙ったプラントではない。発明者らは、カルノーサイクルにより近い、蒸気を利用するプラントを、工学的に実現しようと考えたのである。

本発明の目的は、プラントの熱効率を向上することができる蒸気を利用するプラント及びそのプラントの運転方法並びに蒸気供給装置及び蒸気供給方法を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、蒸気発生装置から排出された蒸気が供給される蒸気利用装置で利用された蒸気の凝縮液であって蒸気発生装置に供給される液体を、供給された蒸気を用いて加熱する液体加熱装置を備え、
液体加熱装置が、蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成した圧縮機で圧縮された蒸気が供給されて、この蒸気によって蒸気発生装置に供給する液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、
最終段の圧縮機から圧縮された蒸気が供給される蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの圧縮機に接続された蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの圧縮機に、冷却された蒸気を供給するように接続されていることにある。

このような本発明によれば、圧縮機（第１圧縮機）で圧縮することによって温度が高められた蒸気が蒸気冷却装置（第１蒸気冷却装置）に導かれ、この温度が上昇した圧縮蒸気を用いて蒸気発生装置に供給する液体が加熱される。その蒸気冷却装置（第１蒸気冷却装置）によって冷却された蒸気が下流に位置する他の圧縮機（第２圧縮機）に供給されて再度圧縮される。この圧縮機（第２圧縮機）で圧縮された蒸気が下流に位置する他の蒸気冷却装置（第２蒸気冷却装置）に供給され、上流に位置する蒸気冷却装置（第１蒸気冷却装置）で加熱された液体がさらに加熱されてこの液体の温度を高めることができる。一方、ある蒸気冷却装置（第１蒸気冷却装置）で冷却されて温度が低下した蒸気が、下流に位置する他の圧縮機（第２圧縮機）に供給されるので、他の圧縮機における蒸気の圧縮比を高めることができ、その分、蒸気の温度をさらに上昇させることができる。

すなわち、本発明は、各圧縮機と対になっているそれぞれの蒸気冷却装置で、各圧縮機で圧縮された蒸気を用いて蒸気発生装置に供給される液体を加熱し、且つある圧縮機に接続された蒸気冷却装置で冷却した蒸気を下流に位置する他の圧縮機に供給するので、各段の圧縮機にそれぞれ接続されて蒸気の供給を受ける各蒸気冷却装置において、供給された蒸気の温度とこの蒸気によって加熱される液体の温度の差が小さくなり、熱的にはその蒸気及びその液体が混合された状態と等価な状態となる。したがって、本発明は、蒸気及びこれによって加熱される液体を混合した状態で圧縮するというカルノーサイクル化の技術思想を反映している。これらより、ランキンサイクルからカルノーサイクルにより近い、蒸気を利用するプラントが、工学的に実現される。このため、より高い温度に上昇した圧縮蒸気を用いて蒸気発生装置に供給する液体の温度をより高くすることができる。この液体の温度が上昇した分、蒸気発生装置における発生熱量を蒸気の生成に有効に利用することができ、蒸気を利用するプラントの熱効率を向上させることができる。

蒸気発生装置から排出された蒸気が供給されるタービンから抽気された抽気蒸気及びそのタービンから排気された一部の排気蒸気のいずれかの蒸気を用いて、タービンから排出された排気蒸気を凝縮して生成されかつ蒸気発生装置に供給される液体を加熱する液体加熱装置を備え、
その液体加熱装置が、抽気蒸気及び排気蒸気のいずれかの蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成した圧縮機で圧縮された蒸気が供給されて、この蒸気によって蒸気発生装置に供給する液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、
最終段の圧縮機から圧縮された蒸気が供給される蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの圧縮機に接続された蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの圧縮機に、冷却された蒸気を供給するように接続されている、蒸気を利用するプラントによっても、上記した本発明の目的を達成することができる。

本発明によれば、蒸気を利用するプラントの熱効率を向上することができる。

本発明の好適な一実施例である蒸気を利用するプラントの実施例１の火力発電プラントの構成図である。 図１に示す蒸気ヒートポンプ装置の構成図である。 図１に示す火力発電プラントの温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）線図である。 蒸気ヒートポンプ装置を用いた火力発電プラントにおける熱効率の向上を示す説明図であり、（Ａ）は抽気蒸気を用いて給水を加熱する火力発電プラントのＴ−Ｓ線図、（Ｂ）は抽気蒸気を用いて給水を加熱する火力発電プラントのＴ−ｑ・Ｓ線図、（Ｃ）は蒸気ヒートポンプ装置を用いて給水を加熱する火力発電プラントのＴ−ｑ・Ｓ線図である。 従来の火力発電プラントの構成図である。 図５に示す従来の火力発電プラントの温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）線図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例２の火力発電プラントの構成図である。 図７に示す火力発電プラントの温度−エントロピー線図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例３の火力発電プラントの構成図である。 図９に示す火力発電プラントの温度−エントロピー線図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例４の火力発電プラントの構成図である。 図１１に示す火力発電プラントの温度−エントロピー線図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例５の沸騰水型原子力発電プラントの構成図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例６の加圧水型原子力発電プラントの構成図である。 本発明の他の実施例である蒸気を利用するプラントの実施例６の食品加工プラントの構成図である。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…火力発電プラント、２…ボイラ、２Ａ…超臨界圧ボイラ、３…高圧タービン、４…低圧タービン、７…復水器、８…低圧給水加熱器、１０…給水配管、１１，１１Ａ，１１Ｂ…蒸気ヒートポンプ、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…圧縮機、１５…モータ、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…凝縮器、１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ…伝熱管、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…湿分分離器、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ…ポンプ、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ…凝縮水配管、２３，２４，３１…抽気管、３０…高圧給水加熱器、３５…沸騰水型原子力発電プラント、３６，３９…原子炉、３７，３７Ａ…炉心、３８…加圧水型原子力発電プラント、４１…蒸気発生器。

発明者らは、熱力学III（小野 周、岩波書店、（１９７１年１月７日発行））の２３５頁、図６．３に記載されたカルノーサイクルを実現する蒸気機関における問題点を解消し、ランキングサイクルのプラントをカルノーサイクルにより近づけることができるプラントの構成を検討した。この検討の過程で、発明者らは、蒸気と蒸気発生装置に供給される給水が分離されている状態で蒸気を圧縮機で圧縮し、圧縮されて温度が上昇した蒸気を用いて給水を加熱するという、新たな技術思想を見出した。本発明は、この技術思想を適用することによって成されたものである。

発明者らが見出した新たな技術思想を適用した設備の例を、以下に説明する。

代表的な例は、発電プラント（火力発電プラント及び原子力発電プラント等）等の蒸気発生装置及びタービンを用いたプラントである。このプラントでは、蒸気発生装置からタービンに供給される蒸気がタービンまたはタービンの排気から抽気され、抽気された蒸気が複数段の圧縮機で順次圧縮され、各段の圧縮機で圧縮されて温度が上昇した蒸気を、複数段の圧縮機ごとに対を形成している各蒸気冷却装置に供給し、これらの蒸気冷却装置によって蒸気発生装置に供給するプラントの給水が加熱される。さらに、上流に位置する圧縮機から蒸気が供給される蒸気冷却装置で冷却された蒸気が、この圧縮機の下流に位置する１つの圧縮機に供給される。

加熱された給水は、タービンから排気された蒸気を凝縮することによって発生する。圧縮機を複数段設けて蒸気を上流から下流に向かって各段の圧縮機に順次供給し、各蒸気冷却装置において各圧縮機から排気されるそれぞれの蒸気によって給水を加熱し、この給水の加熱時に蒸気冷却装置で冷却された蒸気を下流の圧縮機に供給する場合では、圧縮機の段数及び蒸気冷却装置の基数が多くなるほど、そのプラントのサイクルはカルノーサイクルに近くなる。

発明者らが見出した新たな技術思想は、蒸気ヒートポンプの新たな概念をもたらした。この蒸気ヒートポンプでは、蒸気が複数段の圧縮機で圧縮され、圧縮されて温度が上昇された蒸気によって、各蒸気冷却装置において加熱された、蒸気発生装置に供給するより温度の高い給水が得られる。

上記した新たな技術思想を適用した本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の蒸気を利用するプラントを、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントは、火力プラントである火力発電プラント１である。火力発電プラント１は、蒸気発生装置であるボイラ２、高圧タービン（第１タービン）３、高圧タービン３よりも圧力が低い低圧タービン（第２タービン）４、復水器７、低圧給水加熱器８及び蒸気ヒートポンプ装置（液体加熱装置）１１を備えている。ボイラ２は、主蒸気管６によって高圧タービン３及び低圧タービン４に接続される。再熱器５が高圧タービン３と低圧タービン４の間の主蒸気管６に設けられる。給水配管１０が復水器７とボイラ２を接続する。給水配管１０には、上流から下流に向って、復水ポンプ９Ａ、低圧給水加熱器８、給水ポンプ９Ｂ及び蒸気ヒートポンプ装置１１がこの順に設けられる。抽気管２３が、低圧タービン４のタービンケーシング（図示せず）に接続され、さらに、低圧給水加熱器８にも接続される。

蒸気ヒートポンプ装置１１は、図２に示すように、圧縮機１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び１２Ｄ、モータ（駆動装置）１５、凝縮器１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄ及び湿分分離器１８Ａ，１８Ｂ及び１８Ｃを有する。圧縮機１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び１２Ｄは回転する動翼を有する、回転式圧縮機であるターボ圧縮機である。圧縮機１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び１２Ｄの、動翼を有するローター（図示せず）は、回転軸１３に連結されている。回転軸１３は、歯車１４を介してモータ１５に連結される。

凝縮器１６Ａは排気管１９Ａによって一段目の圧縮機１２Ａに接続される。凝縮器１６Ａは供給管２０Ａによって二段目の圧縮機１２Ｂに接続される。湿分分離器１８Ａが供給管２０Ａに設けられる。凝縮器１６Ｂは排気管１９Ｂによって圧縮機１２Ｂに接続される。凝縮器１６Ｂは供給管２０Ｂによって三段目の圧縮機１２Ｃに接続される。湿分分離器１８Ｂが供給管２０Ｂに設けられる。凝縮器１６Ｃは排気管１９Ｃによって圧縮機１２Ｃに接続される。凝縮器１６Ｃは供給管２０Ｃによって最終段である四段目の圧縮機１２Ｄに接続される。湿分分離器１８Ｃが供給管２０Ｃに設けられる。凝縮器１６Ｄは排気管１９Ｄによって圧縮機１２Ｄに接続される。蒸気ヒートポンプ装置１１においては、圧縮機と凝縮器が対になって設けられている。最上流に位置する一段目の圧縮機１２Ａは、開閉弁２５が設けられた抽気管２４によって低圧タービン４のタービンケーシングに接続される。抽気管２４は、低圧タービン４の軸方向において、抽気管２３が低圧タービン４に接続される位置と同じ位置に接続される。抽気管２４の低圧タービン４への接続位置は、抽気管２３の低圧タービン４への接続位置よりも低圧タービン４の周方向においてずれている。抽気管２４は抽気管２３に接続してもよい。

伝熱管１７Ａが凝縮器１６Ａ内に設けられ、伝熱管１７Ｂが凝縮器１６Ｂ内に設けられる。伝熱管１７Ｃが凝縮器１６Ｃ内に設けられ、伝熱管１７Ｄが凝縮器１６Ｄ内に設けられる。給水ポンプ９Ｂの下流で給水配管１０が伝熱管１７Ａの入口に接続される。給水配管１０は、伝熱管１７Ａの出口と伝熱管１７Ｂの入口、伝熱管１７Ｂの出口と伝熱管１７Ｃの入口、伝熱管１７Ｃの出口と伝熱管１７Ｄをそれぞれ接続している。さらに、給水配管１０は、伝熱管１７Ｄの出口とボイラ２を接続している。凝縮器１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄは、各圧縮機から排気される蒸気に着目すれば凝縮器であるが、給水配管１０内を流れる給水に着目すれば加熱器である。

ポンプ２１Ａが設けられる凝縮水配管２２Ａが、凝縮器１６Ａの底部に接続される。ポンプ２１Ｂが設けられる凝縮水配管２２Ｂが、凝縮器１６Ｂの底部に接続される。ポンプ２１Ｃが設けられる凝縮水配管２２Ｃが、凝縮器１６Ｃの底部に接続される。ポンプ２１Ｄが設けられる凝縮水配管２２Ｄが、凝縮器１６Ｄの底部に接続される。凝縮水配管２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ及び２２Ｄがポンプ２１Ｄの下流で凝縮水配管２２Ｄに接続される。凝縮水配管２２Ｄは、図示されていないが、伝熱管１７Ｄの出口とボイラ２の間に存在する給水配管１０に接続される。

火力発電プラント１は、蒸気供給装置を含んでいる。この蒸気供給装置は、ボイラ２、蒸気ヒートポンプ装置１１及び給水配管１０を有する。高圧タービン３及び低圧タービン４は蒸気利用装置である。

図１には、火力発電プラント１における代表的な接続点に、蒸気の熱力学的な状態を表すアルファベットａ，ｂ，ｄ〜ｈ及びｇ’が付されている。

ボイラ２で発生した蒸気は、主蒸気管６を通って高圧タービン３に供給され、さらに、再熱器５及び低圧タービン４に導かれる。再熱器５では、ボイラ２の過熱器（図示せず）から排出された過熱蒸気によって、高圧タービン３から排出された蒸気が加熱される。再熱器５内で温度が上昇した蒸気が低圧タービン４に供給される。高圧タービン３及び低圧タービン４に供給された蒸気は、互いに回転軸が連結されている高圧タービン３及び低圧タービン４を回転させる。これらのタービンの回転軸に連結されている発電機（図示せず）が回転し、発電が行われる。

低圧タービン４から排気された蒸気は、復水器７で凝縮されて水となる。この水は、給水として給水配管１０を通ってボイラ２に供給される。復水器７から排出された給水は、復水ポンプ９Ａで昇圧されて低圧給水加熱器８に供給される。低圧タービン４から抽気された蒸気が抽気管２３を通って低圧給水加熱器８に供給される。低圧給水加熱器８に供給された給水は抽気管２３によって供給された蒸気によって加熱され、給水の温度が上昇する。低圧給水加熱器８から排出された給水は、給水ポンプ９Ａで昇圧されて給水配管１０によって、凝縮器１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄの伝熱管１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ及び１７Ｄ内に供給される。給水は、伝熱管１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ及び１７Ｄ内を流れる間に、圧縮された蒸気が保有している熱によって加熱される。凝縮器１６Ｄから排出された給水は、給水配管１０を通ってボイラ２に供給される。

蒸気ヒートポンプ装置１１による給水の加熱を詳細に説明する。圧縮機１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び１２Ｄのそれぞれでは、モータ１５の駆動によって動翼を有するローターが回転している。低圧タービン４から抽気された蒸気は、抽気管２４を通って一段目の圧縮機１２Ａに供給される。このとき、開閉弁２５は開いている。蒸気は、圧縮機１２Ａで圧縮されて温度が上昇する。圧縮された蒸気は、排気管１９Ａを通って凝縮器１６Ａ内に導かれ、凝縮器１６Ａの伝熱管１７Ａ内を流れる給水によって冷却される。この冷却によって凝縮器１６Ａ内の一部の蒸気が凝縮されて凝縮水２６になって凝縮器１６Ａの底部に落下する。凝縮器１６Ａに供給される蒸気は、伝熱管１７Ａ内を流れる給水の温度よりも高くなっているので、伝熱管１７Ａの外面で凝縮される。

給水配管１０によって供給されて伝熱管１７Ａ内を流れる給水は、凝縮器１６Ａ内で蒸気を冷却しさらに一部の蒸気を凝縮することによって加熱され、温度が上昇する。凝縮器１６Ａ内の蒸気の温度と伝熱管１７Ａ内の給水の温度はほぼ等しく、蒸気と給水の間で近似的に熱的平衡が保たれる。

凝縮器１６Ａ内の未凝縮の蒸気は、湿分分離器１８Ａで湿分が除去された後、供給管２０Ａを通って圧縮機１２Ｂに導かれる。凝縮器１６Ａから圧縮機１２Ｂに供給される蒸気の体積流量は、凝縮器１６Ａによる冷却により減少している。蒸気は、圧縮機１２Ｂで再度圧縮されて温度が上昇する。圧縮機１２Ｂから排気される蒸気の温度は、圧縮機１２Ａから排気された蒸気の温度よりも高くなっている。圧縮機１２Ｂで圧縮された蒸気は、排気管１９Ｂを通って凝縮器１６Ｂ内に導かれ、凝縮器１６Ｂの伝熱管１７Ｂ内を流れる給水によって冷却される。この冷却によって凝縮器１６Ｂ内の一部の蒸気が凝縮されて凝縮水２６になって凝縮器１６Ｂの底部に落下する。凝縮器１６Ｂに供給される蒸気は、伝熱管１７Ｂ内を流れる給水の温度よりも高くなっているので、伝熱管１７Ｂの外面で凝縮される。

伝熱管１７Ａから排出されて伝熱管１７Ｂ内を流れる給水は、凝縮器１６Ｂ内で蒸気を冷却しさらに一部の蒸気を凝縮することによって加熱され、温度がさらに上昇する。凝縮器１６Ｂ内の蒸気の温度と伝熱管１７Ｂ内の給水の温度はほぼ等しく、近似的に熱的平衡が保たれる。

凝縮器１６Ｂ内の未凝縮の蒸気は、湿分分離器１８Ｂで湿分が除去された後、供給管２０Ｂを通って圧縮機１２Ｃに導かれる。凝縮器１６Ｂから圧縮機１２Ｃに供給される蒸気の体積流量は、凝縮器１６Ｂによる冷却により減少している。蒸気は、圧縮機１２Ｃで再度圧縮されて温度が上昇する。圧縮機１２Ｃから排気される蒸気の温度は、圧縮機１２Ｂから排気された蒸気の温度よりも高くなっている。圧縮機１２Ｃで圧縮された蒸気は、排気管１９Ｃを通って凝縮器１６Ｃ内に導かれ、凝縮器１６Ｃの伝熱管１７Ｃ内を流れる給水によって冷却される。この冷却によって凝縮器１６Ｃ内の一部の蒸気が凝縮されて凝縮水２６になって凝縮器１６Ｃの底部に落下する。凝縮器１６Ｃに供給される蒸気は、伝熱管１７Ｃ内を流れる給水の温度よりも高いので、伝熱管１７Ｃの外面で凝縮される。

伝熱管１７Ｂから排出されて伝熱管１７Ｃ内を流れる給水は、凝縮器１６Ｃ内で蒸気を冷却しさらに一部の蒸気を凝縮することによって加熱され、温度がさらに上昇する。凝縮器１６Ｃ内の蒸気の温度と伝熱管１７Ｃ内の給水の温度はほぼ等しく、近似的に熱的平衡が保たれる。

凝縮器１６Ｃ内の未凝縮の蒸気は、湿分分離器１８Ｃで湿分が除去された後、供給管２０Ｃを通って圧縮機１２Ｄに導かれる。凝縮器１６Ｃから圧縮機１２Ｄに供給される蒸気の体積流量は、凝縮器１６Ｃによる冷却により減少している。蒸気は、圧縮機１２Ｄで再度圧縮されて温度が上昇する。圧縮機１２Ｄから排気される蒸気の温度は、圧縮機１２Ｃから排気された蒸気の温度よりも高くなっている。圧縮機１２Ｄで圧縮された蒸気は、排気管１９Ｄを通って凝縮器１６Ｄ内に導かれ、凝縮器１６Ｄの伝熱管１７Ｄ内を流れる給水によって冷却される。この冷却によって凝縮器１６Ｄ内の蒸気が凝縮されて凝縮水２６になって凝縮器１６Ｄの底部に落下する。凝縮器１６Ｄに供給される蒸気は、伝熱管１７Ｄ内を流れる給水の温度よりも高いので、伝熱管１７Ｄの外面で凝縮される。凝縮器１６Ｄ内に供給された全ての蒸気が凝縮器１６Ｄ内で凝縮される。

伝熱管１７Ｃから排出されて伝熱管１７Ｄ内を流れる給水は、凝縮器１６Ｄ内で蒸気を凝縮することによって加熱され、温度がさらに上昇する。凝縮器１６Ｄ内の蒸気の温度と伝熱管１７Ｄ内の給水の温度はほぼ等しく、近似的に熱的平衡が保たれる。この伝熱管１７Ｄから排出された給水がボイラ２に導かれる。

ポンプ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄが駆動されている。凝縮器１６Ａの底部に溜まった凝縮水２６は、ポンプ２１Ａによって昇圧され、凝縮水配管２２Ａを通って凝縮水配管２２Ｄに導かれる。凝縮器１６Ｂの底部に溜まった凝縮水２６は、ポンプ２１Ｂによって昇圧され、凝縮水配管２２Ｂを通って凝縮水配管２２Ｄに導かれる。凝縮器１６Ｃの底部に溜まった凝縮水２６は、ポンプ２１Ｃによって昇圧され、凝縮水配管２２Ｃを通って凝縮水配管２２Ｄに導かれる。凝縮器１６Ｄの底部に溜まった凝縮水２６は、ポンプ２１Ｄによって昇圧され、凝縮水配管２２Ｄを通って凝縮器１６Ｄの下流で給水配管１０内に供給される。凝縮器１６Ａ、凝縮器１６Ｂ及び凝縮器１６Ｃからの各凝縮水２６も、凝縮器１６Ｄからの凝縮水２６と一緒に給水配管１０内に供給される。このため、各凝縮器から排出された凝縮水は、給水と共にボイラ２に供給される。

本実施例の利点を従来の火力発電プラントとの対比で説明する。従来の火力発電プラント１Ａは、図５に示すように、本実施例の火力発電プラント１において蒸気ヒートポンプ装置１１及び抽気管２４を取り除き、替りに高圧給水加熱器３０及び抽気管３１を付加した構成を有している。高圧給水加熱器３０は低圧給水加熱器８の下流で給水配管１０に設けられる。高圧給水加熱器３０に接続された抽気管３１は、高圧タービン５のタービンケーシング（図示せず）に接続されている。高圧タービン５から抽気された蒸気が、抽気管３１を通って高圧給水加熱器３０に供給され、低圧給水加熱器８から排出された給水を加熱する。図５にも、図１と同様に、火力発電プラント１Ａにおける代表的な接続点に、蒸気の熱力学的な状態を表すアルファベットａ，ｂ，ｄ〜ｈ及びｇ’が付されている。

図６は、火力発電プラント１Ａの温度−エントロピー線図、いわゆる、Ｔ−Ｓ線図を示している。図６において、飽和線は、エントロピーＳに対する飽和温度を示している。このＴ−Ｓ線図は、ボイラ２で生成される蒸気が臨界温度以下の飽和蒸気であるとして書かれている。ボイラ２の特性によっては、飽和線より温度の高い過熱状態である場合、さらに、変化する過程も含めて温度が飽和線より高い超臨界圧である場合もある。

低圧給水加熱器８では、給水が低圧タービン４のｇから抽気された蒸気によって加熱され、温度とエントロピーの関係がａからｇ’に変化する。ｇから蒸気が抽気されることにより、ｇとｈ間で低圧タービン４を通過する蒸気の流量が減少する。給水が、高圧タービン３のｅから抽気された蒸気によって高圧給水加熱器５で加熱されて温度とエントロピーの関係がｇ’からｂに変化する。ｅからｅ’への蒸気の抽気により、ｅ−ｆ−ｇにおける蒸気の流量が減少する。低圧タービン４を通過する蒸気の流量減少は出力の低下をもたらす。しかしながら、復水器７における蒸気の凝縮によって外部に捨てられる熱が減少し、ボイラ２に供給される蒸気の温度をｇ’と高温側に増加できる。このため、火力発電プラント１Ａの熱効率は、再生過程が無い場合よりも向上する。

図３は、本実施例の火力発電プラント１に対するＴ−Ｓ線図を示している。本実施例は、高圧給水加熱器３０を設けていないので、図５に示すｅ−ｂ及びｇ’−ｂの変化が生じない。本実施例は、蒸気ヒートポンプ装置１１を設けることによって、給水ｇ’とこれと同じ温度の抽気蒸気ｇを用いて状態ｂの給水を得るものである。図３のＴ−Ｓ線図上では、給水の状態をｇｂからｂに変えることになる。このとき、蒸気と給水を混合する必要は無く、これらが分離している状態でも蒸気と給水が熱的平衡にあれば混合状態と等価になる。本実施例は、蒸気ヒートポンプ装置１１の一段目の圧縮機１２Ａに供給される蒸気ｇを四段の圧縮機１２Ａ〜１２Ｄを用いて圧縮して凝縮器１６Ａ〜１６Ｄで給水を加熱することによって、一段目の圧縮機１２Ａに供給される蒸気ｇと同じ温度の、凝縮器１６Ａの伝熱管１７Ａに供給される給水ｇ’を、ｅの蒸気温度よりも高い温度の給水ｂにすることができる。すなわち、蒸気ｅよりも温度の低い蒸気ｇを、蒸気ヒートポンプ装置１を用いることによって、より温度の高い蒸気を生成し、この蒸気を用いて、従来の火力発電プラント１Ａにおいて高圧タービン３のｅから抽気された蒸気の温度よりも高い温度の給水ｂを生成することができる。ボイラ２に供給された温度が高い給水ｂは、飽和水ｃまで加熱された後、さらに加熱されて飽和蒸気ｄになる。これによって、高圧タービン５のｅからの蒸気の抽気が不要になり、再熱器５から低圧タービン４のｇまでの蒸気流量（ｅ−ｆ−ｇの蒸気流量）が増大する。これは、低圧タービン４に供給される蒸気の流量を増加させることになり、タービン出力（タービンの機械出力）を増大させる。さらに、高圧タービン３から再熱器５に供給される蒸気量が増大することになり、再熱器５で加熱されて再熱器５から排出される蒸気が保有する熱量も増大し、タービン出力をさらに高めることになる。ボイラ２に供給される給水ｂが蒸気ｅよりも高くなるので、火力発電プラント１の熱効率が火力発電プラント１Ａのそれよりも向上する。

蒸気ヒートポンプ装置１１を設けることによって、火力発電プラント１の熱効率が向上することを、図４を用いて定性的に説明する。図４（Ａ）は一段の再生過程を有する従来の火力発電プラントに対するＴ−Ｓ線図である。図４（Ｂ）は、一段の再生過程を、抽気蒸気を用いた給水加熱器で実現した従来の火力発電プラントに対するＴ−ｑ・Ｓ線図である。蒸気の抽気によって低圧タービン４に流入する蒸気の流量が減少することを図式的に考慮するために、図４（Ｂ）の横軸は比エントロピーと蒸気流量の積を示している。なお、横軸上の各点の温度は絶対零度である。図４（Ｂ）において、Ａ−Ｂ（図６のｇ’−ｂに相当）が抽気蒸気を供給した給水加熱器による給水の加熱を示し、Ｂ−Ｃはボイラによる給水の加熱を示している。さらに、図４（Ｂ）において、多角形ＢＣＤＧ’Ｉ’Ｂの面積が火力発電プラントへの入熱（ボイラ２の出力）、四角形ＡＨＨ’Ａ’の面積が火力発電プラントの排熱、及び多角形ＡＢＣＤＥＦＨＡの面積が火力発電プラントの電気出力をそれぞれ表している。四角形ＦＥＧＨＦは蒸気の抽気による火力発電プラントの電気出力の欠損となる。一方、理論的に三角形ＡＢＩと三角形ＨＥＧの面積が等しい。多角形ＩＢＣＤＧＩの面積から三角形ＨＦＥを除いた面積が、多角形ＡＢＣＤＥＦＨＡの面積と等しく、火力発電プラントの電気出力となる。

図４（Ｃ）は、火力発電プラントの一段の再生過程を蒸気ヒートポンプ装置１１で実現した、本実施例に相当する火力発電プラントに対するＴ−ｑ・Ｓ線図を示している。図４（Ｃ）において、Ｉ−Ｂ（図３のｇｂ−ｂに相当）は蒸気ヒートポンプ装置１１による給水の加熱を示している。再生過程に蒸気ヒートポンプ装置１１を用いた火力発電プラントでは、入熱が図４（Ｂ）と同じで、多角形ＩＢＣＤＧＩの面積が火力発電プラントの電気出力となる。したがって、蒸気ヒートポンプ装置１１を用いた火力発電プラントでは、図４（Ｂ）に比べて、入熱が同じで火力発電プラントの電気出力が三角形ＨＦＥの面積分増加するため、図４（Ｃ）で対象になった火力発電プラントの効率は、図４（Ｂ）で対象になった火力発電プラントのそれよりも向上する。

一段の再生過程を抽気蒸気が供給される給水加熱器で実現している火力発電プラントは、ランキンサイクルを実現しているのに対し、その再生過程を蒸気ヒートポンプ装置１１で実現している火力発電プラントは、Ｉ−Ｂの過程を生じ、カルノーサイクルに近づいたサイクルを実現している。蒸気ヒートポンプ装置１１を用いることによって、モータ１５における少ない消費電力でより大きな熱量を回収することができ、ボイラ２に供給する給水の温度を、従来の火力発電プラント１Ａの高圧タービン３から抽気した蒸気の温度よりも高めることができる。この結果、火力発電プラント１はＩ−Ｂの過程を生じる。本実施例の火力発電プラント１は、カルノーサイクルに近づいたサイクルを実現しているので、火力発電プラント１Ａよりも電気出力を増大することができる。この結果、火力発電プラント１の熱効率は、火力発電プラント１Ａのそれよりも向上する。

本実施例において、カルノーサイクルに近づいたサイクルを実現している理由を以下に説明する。本実施例では、複数段の圧縮機と複数基の凝縮器が、一段目の圧縮機１２Ａとこれに接続される凝縮器１６Ａ、二段目の圧縮機１２Ｂとこれに接続される凝縮器１６Ｂ、三段目の圧縮機１２Ｃとこれに接続される凝縮器１６Ｃ及び最終段の圧縮機１２Ｄとこれに接続される凝縮器１６Ｄのように、それぞれ対を成して設けられている。さらに、凝縮器１６Ａで冷却された蒸気を圧縮機１２Ｂに供給し、凝縮器１６Ｂで冷却された蒸気を圧縮機１２Ｃに供給し、及び凝縮器１６Ｃで冷却された蒸気を圧縮機１２Ｄに供給している。凝縮器１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄでは、給水の加熱及び蒸気の冷却が行われる。このため、凝縮器１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄでは、加熱側の蒸気の温度と被加熱側の給水の温度との差が小さくなり、熱的には圧縮された蒸気及び給水が混合された状態と等価な状態が各凝縮器内で実現される。したがって、本実施例は、蒸気及びこれによって加熱される給水を混合した状態で圧縮するというカルノーサイクル化の技術思想を反映しており、ランキンサイクルからカルノーサイクルにより近くなる火力発電プラント１を工学的に実現している。

上記したカルノーサイクルにより近くなる火力発電プラント１を工学的に実現することによって、本実施例は、より高い温度に上昇した圧縮蒸気を各凝縮器に供給して蒸気発生装置に供給する液体の温度をより高くすることができる。この液体の温度が上昇した分、蒸気発生装置における発生熱量を蒸気の生成に有効に利用することができ、火力発電プラント１の熱効率を向上させることができる。

本実施例では、蒸気ヒートポンプ装置１１により給水を加熱するので、従来の火力発電プラントに設けられていた高圧給水加熱器が不要になる。

本実施例は、ボイラ２に供給される給水を用いて、圧縮機１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃから排出された、圧縮により温度が上昇したそれぞれの蒸気を、凝縮器１６Ａ，１６Ｂ及び１６Ｃにおいてそれぞれ冷却しているので、これらの凝縮器の下流に位置する各圧縮機に供給される蒸気の体積流量を減少させることができる。このため、下流に位置する圧縮機における蒸気の圧縮効率を高めることができ、下流に位置する圧縮機で圧縮された蒸気の温度もより高くすることができる。したがって、圧縮された蒸気を冷却する給水の温度上昇もより大きくなる。それだけ、火力発電プラント１の電気出力が増大する。また、下流に位置する圧縮機に冷却された蒸気が供給されるので、圧縮機を駆動する動力を低減することができる。圧縮機を複数段設けることは、圧縮機一段当たりの入口と出口の圧力比を小さくすることができる。このため、ターボ圧縮機の製造が容易になる。圧縮機１２Ａ〜１２Ｄは水を実質的に含まない蒸気を圧縮するので、蒸気の圧縮効率を高くすることができる。

本実施例は、低圧タービン４から抽気した蒸気、具体的には、低圧タービン４において、最終段の動翼より上流に位置する動翼間から抽気した蒸気を蒸気ヒートポンプ装置１１に供給しているので、蒸気ヒートポンプ装置１１における蒸気の圧縮比を小さくすることができる。このため、蒸気ヒートポンプ装置１１における圧縮機の段数を少なくすることができ、蒸気ヒートポンプ装置１１をコンパクトにすることができる。

本実施例は、低圧タービン４から抽気した蒸気を蒸気ヒートポンプ装置１１に供給しているので、高圧タービン３及び低圧タービン４で仕事をして温度が低下した蒸気を蒸気ヒートポンプ装置１１に供給することになる。蒸気ヒートポンプ装置１１では、このように温度が低下した抽気蒸気を複数段の圧縮機で圧縮して蒸気の温度を高め、この蒸気によってボイラ２に供給する給水を加熱することによって、従来の火力発電プラント１Ａの高圧タービン３から抽気した蒸気の温度よりも高い温度に給水を加熱することができる。このため、火力発電プラント１Ａに設けられていた抽気管３１及び高圧給水加熱器３０が不要になる。したがって、本実施例では、再熱器５に供給される蒸気量が増加し、再熱器５で加熱されて再熱器５から排出される蒸気が保有する熱量も増大する。その分、再熱器５から排出された蒸気が低圧タービン４で行う仕事量も増大する。結果的に、タービン出力が増大する。

蒸気ヒートポンプ装置１１を用いることによって、モータ１５における少ない消費電力でより大きな熱量を回収することができ、ボイラ２に供給する給水の温度を、従来の火力発電プラント１Ａの高圧タービン３から抽気した蒸気の温度よりも高めることができる。このため、復水器７において低圧タービン４から排出された蒸気の凝縮に用いられて海に排出される海水の温度を低減することができ、火力発電プラント１から外部に排出される熱量を減少できる。

蒸気ヒートポンプ装置１１は、複数の圧縮機を用いているので一段あたりの圧縮機の容量が小さくて済み、大型の一段の圧縮機よりもモータ１５で消費される電力をより少なくすることができる。

上流に位置する圧縮機から排出された蒸気が凝縮器を経て下流の圧縮機に供給される際、蒸気が湿分分離器を通過する。凝縮器内で蒸気の凝縮によって生じる液滴が下流の圧縮機に供給される蒸気に含まれるので、この液滴を湿分分離器で除去し、下流に位置する圧縮機の動翼が液滴によって損傷を受けること、すなわち、動翼にエロージョンが生じることを防止できる。

後段の圧縮機から排出された蒸気が供給される凝縮器ほど、内部の圧力が高くなる。本実施例は、凝縮器毎に、ポンプを有する凝縮水配管を設けているので、内部の圧力が異なる各凝縮器から凝縮水２６を給水配管１０に供給することができる。

本実施例は、給水を加熱する蒸気ヒートポンプ装置１１以外に、低圧タービン４から抽気した蒸気が供給されて給水配管１０内を流れる給水を加熱する低圧給水加熱器８を設けているので、蒸気ヒートポンプ装置１１での加熱による給水の温度上昇幅を低減することができる。このため、蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機の段数を低減することができ、蒸気ヒートポンプ装置１１をコンパクト化することができる。このような蒸気ヒートポンプ装置１１の小型化は、火力発電プラントのコンパクト化につながる。

凝縮器１６Ａ〜１６Ｄで発生した蒸気の凝縮水を、給水配管１０内を流れる給水に戻しているので、火力発電プラント１の外部に放出される熱量が低減され、火力発電プラント１の熱効率がさらに向上する。

蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機は、５段以上設けても良い。圧縮機の段数が多くなるほど、火力発電プラントのサイクルがカルノーサイクルに近くなる。

凝縮水配管２２Ａ〜２２Ｃが接続される凝縮水配管２２Ｄは、最も上流に位置する凝縮器１６Ａよりも上流で給水配管１０に接続してもよい。

本発明の他の実施例である実施例２の蒸気を利用するプラントを、図７を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントである火力発電プラント１Ｂは、火力発電プラント１において、ボイラ２を蒸気発生装置である超臨界圧ボイラ２Ａに替え、高圧タービン３からの抽気蒸気を導く抽気管３１が接続される高圧給水加熱器３０を、低圧給水加熱器８の下流で給水配管１０に設け、蒸気ヒートポンプ装置１１の凝縮器１６Ａ〜１６Ｄを高圧給水加熱器３０の下流に配置した構成を有する。凝縮器１６Ａ〜１６Ｄ内の伝熱管１７Ａ〜１７Ｄが、火力発電プラント１と同様に、給水配管１０に接続される。蒸気ヒートポンプ装置１１の一段目の圧縮機１２Ａに接続された抽気管２４は、高圧タービン３のタービンケーシングに接続されている。

火力発電プラント１Ｂは、超臨界圧ボイラ２Ａ、蒸気ヒートポンプ装置１１及び給水配管１０を有する蒸気供給装置を含んでいる。

超臨界圧ボイラ２Ａで発生した蒸気は、高圧タービン３及び低圧タービン４に供給される。低圧タービン４から抽気されて抽気管２３により低圧給水加熱８に供給される抽気蒸気によって、給水配管１０内を流れる給水が加熱される。高圧タービン３から抽気される抽気蒸気が供給された高圧給水加熱器３０で給水がさらに加熱される。高圧タービン３から抽気された蒸気は、抽気管２４を通って蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機１２Ａに供給される。本実施例における蒸気ヒートポンプ装置１１も、実施例１における蒸気ヒートポンプ装置１１と同様に作用し、凝縮器１６Ａ〜１６Ｄによって超臨界圧ボイラ２Ａに供給される給水が加熱される。

図８は、本実施例の火力発電プラント１Ｂに対するＴ−Ｓ線図を示している。火力発電プラント１Ｂでは、超臨界圧ボイラ２Ａにおいて、図８に示されるように温度Ｔが飽和線より高い状態ｄの温度まで蒸気が加熱される。高圧タービン３のｅから抽気される蒸気の温度は飽和線上の温度であり、この温度の蒸気が圧縮機１２Ａに供給される。

火力発電プラント１Ｂが定格負荷運転を行っているとき、蒸気ヒートポンプ装置１１による給水の加熱によって給水の状態をｅｂからｂに垂直状態で変えることになる。このような状態変化がもたらされるので、実施例１と同様に、火力発電プラント１Ｂにおけるサイクルは、カルノーサイクルに近づく。このため、火力発電プラント１Ｂの電気出力が増大し、熱効率が向上する。

超臨界圧ボイラ２Ａを用いた火力発電プラント１Ｂの他の特徴として、通常、部分負荷運転のときに変圧運転が行われることである。これは、電力需要が低いとき、火力発電プラント１Ｂで発生する電気出力を減らすために行われる。このとき、超臨界圧ボイラ２Ａの定格熱出力からの熱出力の減少に基づいて、給水及び蒸気の質量流量が減少される。超臨界圧ボイラ２Ａで発生する蒸気の圧力及び温度は、高圧タービン３の軸流速度を保つように、減少される。蒸気温度の減少は外燃機関の熱効率の低下をもたらすが、火力発電プラント１Ｂにおいては、高圧タービン３の損失を低減できるので総合的な熱効率が高くなる。

火力発電プラント１Ｂは、蒸気ヒートポンプ装置１１を用いているので、部分負荷運転において超臨界圧ボイラ２Ａの熱出力が低減しても発生する蒸気量を定格に保つことができる。このため、超臨界圧ボイラ２Ａで発生する蒸気の圧力及び温度を低下させる必要がなくなる。蒸気ヒートポンプ装置１１の機能によって、部分負荷運転では、蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機１２Ａに供給される蒸気量の、蒸気ヒートポンプ装置１１の凝縮器１６Ａの伝熱管１７Ａに供給される給水量に対する比率を定格負荷運転時よりも増やすことができ、ｅｂから垂直状態に変化させて状態ｂｐの温度の給水を生成することができる。

超臨界圧ボイラ２Ａから給水が得る熱負荷はエントロピーＳの変化と温度Ｔの積に比例する。部分負荷運転における状態ｂｑから状態ｄへのエントロピーの変化が、定格負荷運転時における状態ｂから状態ｄへのその変化よりも小さくなるため、部分負荷運転において給水が得る熱負荷は定格負荷運転時よりも減少する。この結果、超臨界圧ボイラ２Ａ、高圧タービン３、抽気管２４、蒸気ヒートポンプ装置１１及び超臨界圧ボイラ２Ａを循環する流体の流量が保たれ、高圧タービン３の効率を高く保つことができる。かつ、超臨界圧ボイラ２Ａで発生する蒸気の圧力及び温度を高く保つことができ、部分負荷運転における火力発電プラント１Ｂの熱効率を高く保つことができる。これは、部分負荷運転での蒸気ヒートポンプ装置１１における蒸気の圧縮比を定格負荷運転よりも増大させることにより実現される。

本実施例では、定格負荷運転及び部分負荷運転において、超臨界圧ボイラ２Ａに供給する給水の温度を、高圧タービン３の抽気点ｅの蒸気温度よりも高くすることができる。

本発明の他の実施例である実施例３の蒸気を利用するプラントを、図９を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントである火力発電プラント１Ｃは、火力発電プラント１において、低圧給水加熱器８の替りに高圧給水加熱器３０を給水配管１０に設置し、蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機１２Ａに接続された抽気管２４を低圧タービン４の復水器７につながる排気室に接続した構成を有する。蒸気ヒートポンプ装置１１の凝縮器１６Ａ〜１６Ｄは復水ポンプ９Ａと給水ポンプ９Ｂの間で給水配管１０に設置される。高圧給水加熱器３０は給水ポンプ９Ｂよりも下流に配置される。

火力発電プラント１Ｃの運転時に、ボイラ２で発生した蒸気は高圧タービン３及び低圧タービン４に供給される。低圧タービン４の排気室から抽気された蒸気（低圧タービン４から排気されて復水器７で冷却される前の蒸気）は、抽気管２４を通して蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機１２Ａに供給され、四段の圧縮機で順次圧縮される。復水器７から排出された給水は、各凝縮器内に設けられた伝熱管内を流れる間に、圧縮機で圧縮されて温度が上昇した蒸気によって加熱され、その後、高圧給水加熱器３０に供給される。高圧給水加熱器３０に達した給水は、高圧タービン３から抽気されて抽気管３１を通って高圧給水加熱器３０に導かれた蒸気によって加熱される。高圧給水加熱器３０から排出された給水はボイラ２に供給される。

図１０は、火力発電プラント１Ｃに対するＴ−Ｓ線図を示している。蒸気ヒートポンプ装置１１による給水の加熱によって、給水の状態はｈ―ｇ０―ｇ’と変化し、給水温度が上昇する。ｇ’―ｂは高圧給水加熱器３０での加熱による給水温度の上昇を示している。

本実施例も、蒸気ヒートポンプ装置１１の適用により火力発電プラント１Ｃのサイクルをカルノーサイクルに近づけることができ、火力発電プラント１Ｃの出力を増加することができる。このため、火力発電プラント１Ｃの熱効率が向上する。低圧タービン４からの蒸気の抽出が行われないので、低圧タービン４に流入した蒸気の量がそのまま低圧タービン４の動翼の最終段から排気される。低圧タービン４の出力が向上し、火力発電プラント１Ｃの電気出力がさらに増加する。

本発明の他の実施例である実施例４の蒸気を利用するプラントを、図１１を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントである火力発電プラント１Ｄは、火力発電プラント１Ｃにおいて高圧給水加熱器３０及び抽気管３１を取り除いた構成を有する。火力発電プラント１Ｄは、低圧給水加熱器及び高圧給水加熱器を設置せず、蒸気ヒートポンプ装置１１Ａによって給水を設定温度まで加熱する。このため、蒸気ヒートポンプ装置１１Ａでは、圧縮機及び凝縮器の段数が実施例１で用いられる蒸気ヒートポンプ装置１１のそれらの段数よりも多くなっている。

図１１は、火力発電プラント１Ｄに対するＴ−Ｓ線図を示している。蒸気ヒートポンプ装置１１Ａによる給水の加熱によって、給水の状態はｈ―ｂ０―ｇ’と変化し、給水温度が上昇する。

本実施例も、蒸気ヒートポンプ装置１１Ａの適用により火力発電プラント１Ｃのサイクルをカルノーサイクルに近づけることができる。このため、本実施例は、火力発電プラント１Ｃの電気出力を増加することができ、その熱効率も向上できる。本実施例は、実施例１で生じた各効果を得ることができる。さらに、低圧タービン４で蒸気を抽気していないので、実施例３と同様に、低圧タービン４の出力を増大できる。

本発明の他の実施例である実施例５の蒸気を利用するプラントを、図１３を用いて説明する。前述した各実施例は火力プラントを対象にしたものであるが、本実施例の蒸気を利用するプラントは、原子力プラントである沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲプラント）である。本実施例のＢＷＲプラント３５は、実施例１の火力発電プラント１においてボイラ２を蒸気発生装置である原子炉３６に置き換えた構成を有する。

ＢＷＲプラント３５は、原子炉３６、蒸気ヒートポンプ装置１１及び給水配管１０を有する蒸気供給装置を含んでいる。

原子炉３６は、複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心３７を内部に有する。炉心に供給される冷却水が、燃料集合体に含まれる核燃料物質の核分裂によって発生する熱で加熱されて蒸気になる。この蒸気が、主蒸気管６を通って高圧タービン３及び低圧タービン４に供給される。低圧タービン４から排出された蒸気を凝縮する復水器７から排出された給水が、低圧給水加熱器８で、低圧タービン４から抽気された抽気蒸気によって加熱される。低圧タービン４から抽気された蒸気が蒸気ヒートポンプ装置１１の各圧縮機に順次供給され、各圧縮機で圧縮されて温度が上昇する。圧縮機ごとに設けられた凝縮器で圧縮機から排出された蒸気を冷却し、実施例１と同様に、各凝縮器内の伝熱管内を流れる給水を加熱する。蒸気ヒートポンプ装置１１で加熱された給水が蒸気発生装置である原子炉３６に供給される。

蒸気ヒートポンプ装置１１を備えた本実施例でも、実施例１の火力発電プラント１で生じる各効果を得ることができる。原子炉３６に供給される給水の温度は、高圧タービン３のｅでの蒸気温度よりも高くなる。

本発明の他の実施例である実施例６の蒸気を利用するプラントを、図１４を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントは、原子力プラントである加圧水型原子力発電プラント（ＰＷＲプラント）である。本実施例のＰＷＲプラント３８は、実施例１の火力発電プラント１においてボイラ２を蒸気発生器（蒸気発生装置）４１に置き換え、さらに原子炉３９を備えた構成を有する。給水配管１０は蒸気発生器４１内に設けられた伝熱管の入口に連絡され、主蒸気管６がその伝熱管の出口に連絡される。内部に炉心３７Ａを有する原子炉３９が、一次冷却配管４０によって蒸気発生器４１の胴側に連絡される。原子炉３９、一次冷却配管４０及び蒸気発生器４１によって冷却水の循環ループが形成される。

ＰＷＲプラント３９は、蒸気発生器４１、蒸気ヒートポンプ装置１１及び給水配管１０を有する蒸気供給装置を含んでいる。

炉心３７Ａに供給される冷却水は、炉心３７Ａ内で、核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱される。炉心３７Ａから排出された高温の冷却水は、一次冷却配管４０を通って蒸気発生器４１の胴側に供給され、一次冷却配管４０を通って原子炉３９に戻される。給水配管１０から蒸気発生器４１内に設けられた複数の伝熱管内に供給された給水は、蒸気発生器４１の胴側に供給される高温の冷却水によって加熱されて蒸気になる。

この蒸気は、主蒸気管６を通って高圧タービン３及び低圧タービン４に供給される。低圧タービン４から排出された蒸気を凝縮する復水器７から排出された給水が、低圧給水加熱器８で、低圧タービン４から抽気された抽気蒸気によって加熱される。低圧タービン４から抽気された蒸気が蒸気ヒートポンプ装置１１の各圧縮機に順次供給され、各圧縮機で圧縮されて温度が上昇する。圧縮機ごとに設けられた凝縮器で圧縮機から排出された蒸気を冷却し、実施例１と同様に、各凝縮器内の伝熱管内を流れる給水を加熱する。蒸気ヒートポンプ装置１１で加熱された給水が蒸気発生装置である原子炉３６に供給される。

蒸気ヒートポンプ装置１１を備えた本実施例でも、実施例１の火力発電プラント１で生じる各効果を得ることができる。蒸気発生器４１に供給される給水の温度は、高圧タービン３のｅでの蒸気温度よりも高くなる。

本発明の他の実施例である実施例７の蒸気を利用するプラントを、図１５を用いて説明する。本実施例の蒸気を利用するプラントは食品加工プラント４５である。食品加工プラント４５は、蒸気発生装置であるボイラ２、熱利用装置である食品加工装置４６、蒸発器４７、給水ポンプ４９及び蒸気ヒートポンプ装置１１を備えている。蒸気供給管５０はボイラ２と食品加工装置４６を接続する。蒸気排出管５１が食品加工装置４６に接続される。凝縮水分離装置４８が蒸気排出管５１に設けられ、凝縮水分離装置４８の下流で蒸発器４７が蒸気排出管５１に設けられる。給水ポンプ４９が設けられた給水配管５２が、凝縮水分離装置４８とボイラ２を接続する。蒸気ヒートポンプ装置１１が給水配管５２に設けられる。蒸気供給管５３が、蒸発器４７に接続され、さらに、蒸気ヒートポンプ装置１１の一段目の圧縮機１２Ａに接続される。給水管５４が蒸発器４７に接続される。

蒸気ヒートポンプ装置１１で加熱された給水が給水配管５２を介してボイラ２に供給される。ボイラ２は給水を加熱して蒸気を発生する。この蒸気は、ボイラ２から排出されて蒸気供給管４９を通って食品加工装置４６に供給される。製造される食品の原料である素材が食品加工装置４６内に供給される。この素材は、食品加工装置４６内で供給された蒸気によって加熱される。食品によっては複数の素材を用いる。この場合には、端品ごとの素材及び互いに混ぜ合わせて得られた素材は、食品加工装置４６内で別々に加熱される。食品加工装置４６には、加熱する素材に応じた、蒸気による複数の加熱装置が設けられている。食品加工装置４６は、さらに、そのように加熱された複数の素材を用いて食品を製造する。

素材の加熱に用いられた蒸気は、一部が凝縮水となる。凝縮水を含む蒸気は、食品加工装置４６から蒸気排出管５１に排出され、凝縮水分離装置４８に導かれる。凝縮水分離装置４８は、蒸気排出管５１に排出された凝縮水を含む蒸気から凝縮水を分離する。分離された凝縮水は、給水ポンプ４９を駆動することによって給水配管５２を通って蒸気ヒートポンプ装置１１の凝縮器１６Ａ〜１６Ｄの伝熱管１７Ａ〜１７Ｄに供給される。

凝縮水分離装置４８で凝縮水が分離された残りの蒸気は、蒸発器４７に供給される。給水管５４によって蒸発器５４に供給された給水は、蒸発器４７に供給される蒸気によって加熱されて蒸気になる。蒸発器５４に供給されて給水を加熱した蒸気は、蒸気排出管５１を通して外部に放出される。蒸発器４７で発生した蒸気は、蒸気供給管５３を通って蒸気ヒートポンプ装置１１の一段目の圧縮機１２Ａに供給される。蒸気ヒートポンプ装置１１は、実施例１と同様に、圧縮機１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び１２Ｄによって蒸気を圧縮する。各圧縮機で圧縮されて温度が上昇した蒸気は、圧縮機ごとに設けられた各凝縮器内に導かれ、伝熱管１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ及び１７Ｄ内を流れる給水によって冷却される。給水は、逆に蒸気によって加熱され、給水配管５２を通してボイラ２に供給される。ボイラ２に供給する給水が凝縮水分離装置４８で分離された凝縮水だけでは足りないときには、補給水管５５から給水配管５２内に補給水が供給される。

本実施例は、蒸気ヒートポンプ装置１１を用いているので、実施例１と同様に、モータ１５における少ない消費電力で給水温度をより高くすることができる。蒸気ヒートポンプ装置１１の設置によりボイラ２に供給する給水の温度がより高められるので、本実施例では、ボイラ２における発生熱を高温蒸気の生成に有効に利用できる。このため、食品加工プラント４５の熱効率を向上させることができる。

凝縮水分離装置４８は、食品加工装置４６内で必要な工程ごとに設けることも可能である。

食品加工プラント４５において、蒸発器４７及び給水管５４を取り除き、凝縮水分離装置４８の下流で蒸気排出管５１に蒸気供給管５３を接続してもよい。このような食品加工プラントは、蒸発器４７及び給水管５４が不要になるので、設備がコンパクト化される。さらに、食品加工装置４６から蒸気排出管５１に排出された蒸気の一部を、蒸気供給管５３によって蒸気ヒートポンプ装置１１の圧縮機に直接供給することができる。このため、食品加工プラント４５の熱効率がさらに向上する。

本実施例は、食品加工装置４６を他の熱利用装置である蒸気洗浄装置及び化学物質加熱装置に替えることによって、蒸気を利用するプラントである洗浄プラント及び化学プラントにも適用することができる。前述の各熱利用装置は、蒸気の熱を利用しているので、蒸気利用装置である。

本発明は、蒸気発生装置で発生した蒸気を利用するプラント、例えば、火力プランと及び原子力プラントに利用できる。

Claims (18)

1. 液体を蒸気にする蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置から排出された前記蒸気が供給される蒸気利用装置と、前記蒸気利用装置で利用された前記蒸気の凝縮液であって前記蒸気発生装置に供給される前記液体を、供給された蒸気を用いて加熱する液体加熱装置とを備え、
   前記液体加熱装置が、蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、前記複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成した前記圧縮機で圧縮された前記蒸気が供給されて、この蒸気によって前記蒸気発生装置に供給する前記液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、
   最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に、冷却された前記蒸気を供給するように接続されていることを特徴とする蒸気を利用するプラント。
2. 前記蒸気利用装置に供給された前記蒸気を用いて液体を加熱して蒸気を発生する他の蒸気発生装置、及び前記液体加熱装置の一段目の前記圧縮機に前記他の蒸気発生装置で発生した前記蒸気を供給する蒸気供給管を備えた請求項１に記載の蒸気を利用するプラント。
3. 前記蒸気利用装置に供給された前記蒸気を前記液体加熱装置の一段目の前記圧縮機に供給する蒸気供給管を備えた請求項１に記載の蒸気を利用するプラント。
4. 前記蒸気利用装置がタービンである請求項３に記載の蒸気を利用するプラント。
5. 液体を蒸気にする蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置から排出された前記蒸気が供給されるタービンと、前記タービンから抽気された抽気蒸気及び前記タービンから排気された一部の排気蒸気のいずれかの蒸気を用いて、前記タービンから排出された前記排気蒸気を凝縮して生成されかつ前記蒸気発生装置に供給される前記液体を加熱する液体加熱装置とを備え、
   前記液体加熱装置が、前記抽気蒸気及び前記排気蒸気のいずれかの蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、前記複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成した前記圧縮機で圧縮された前記蒸気が供給されて、この蒸気によって前記蒸気発生装置に供給する前記液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、
   最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に、冷却された前記蒸気を供給するように接続されていることを特徴とする蒸気を利用するプラント。
6. 前記液体加熱装置が、前記蒸気冷却装置から排出されて前記他の圧縮機に供給される前記蒸気に含まれる水分を除去する湿分分離装置を有する請求項５に記載の蒸気を利用するプラント。
7. 供給される前記抽気蒸気によって前記液体を加熱する給水加熱器を設けた請求項５または６に記載の蒸気を利用するプラント。
8. 前記蒸気発生装置から排出された前記蒸気が供給される第１タービンを有し、前記タービンが前記第１タービンから排出された前記蒸気が供給される第２タービンである請求項５または６に記載の蒸気を利用するプラント。
9. 前記第１タービンから抽気された蒸気によって前記液体を加熱する給水加熱器を設けた請求項８に記載の蒸気を利用するプラント。
10. 液体を蒸気にする蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置から排出された前記蒸気が供給される第１タービンと、前記第１タービンから排出された前記蒸気が供給される第２タービンと、前記第１タービンから抽気された蒸気を用いて、前記第２タービンから排出された前記蒸気を凝縮して生成されかつ前記蒸気発生装置に供給される前記液体を加熱する液体加熱装置とを備え、
    前記液体加熱装置が、前記抽気蒸気及び前記排気蒸気のいずれかの蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、前記複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成した前記圧縮機で圧縮された前記蒸気が供給されて、この蒸気によって前記蒸気発生装置に供給する前記液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、
    最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に、冷却された前記蒸気を供給するように接続されていることを特徴とする蒸気を利用するプラント。
11. 前記蒸気発生装置が、超臨界蒸気発生装置である請求項１０に記載の蒸気を利用するプラント。
12. 前記第１タービンから排気されて前記第２タービンに供給される前記蒸気を加熱する再熱装置を設けた請求項８または１０に記載の蒸気を利用するプラント。
13. 蒸気発生装置において供給された液体から蒸気を生成し、前記蒸気をタービンに供給し、前記タービンから抽気された抽気蒸気及び前記タービンから排気された一部の排気蒸気のいずれかの蒸気を用いて、前記タービンから排出された前記排気蒸気を凝縮して生成されかつ前記蒸気発生装置に供給される前記液体を加熱し、
    前記液体の加熱が、
    前記抽気蒸気及び前記排気蒸気のいずれかの蒸気を複数段の圧縮機によって順番に圧縮し、
    前記複数段の圧縮機ごとに対を形成している各蒸気冷却装置に、対を形成している前記圧縮機で圧縮された前記蒸気を供給し、
    前記各蒸気冷却装置において、前記蒸気発生装置に供給する前記液体を前記圧縮された蒸気によって加熱し、及び
    最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置から排気された前記蒸気を、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に供給することによって行われることを特徴とする蒸気を利用するプラントの運転方法。
14. 液体を加熱する液体加熱装置と、前記液体加熱装置で加熱された前記液体が供給されてこの液体の蒸気を発生する蒸気発生装置とを備え、
    前記液体加熱装置が、蒸気を順番に圧縮するように配置された複数段の圧縮機と、前記複数段の圧縮機ごとに対を形成して設けられ、対を形成する前記圧縮機で圧縮された前記蒸気が供給されて、この蒸気によって前記蒸気発生装置に供給する前記液体を加熱する複数の蒸気冷却装置とを有し、及び
    最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置は、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に、冷却された前記蒸気を供給するように接続されていることを特徴とする蒸気供給装置。
15. 前記液体加熱装置が、前記蒸気冷却装置から排出されて前記他の１つの圧縮機に供給される前記蒸気に含まれる水分を除去する湿分分離装置を有する請求項１４に記載の蒸気供給装置。
16. 蒸気を複数段の圧縮機によって順番に圧縮し、
    前記複数段の圧縮機ごとに対を形成している各蒸気冷却装置に、対を形成している前記圧縮機で圧縮された前記蒸気を供給し、
    前記各蒸気冷却装置において、前記蒸気発生装置に供給する前記液体を前記圧縮された蒸気によって加熱し、
    最終段の前記圧縮機から圧縮された前記蒸気が供給される前記蒸気冷却装置を除いて、上流に位置する１つの前記圧縮機に接続された前記蒸気冷却装置から排気された前記蒸気を、この圧縮機の下流に位置する他の１つの前記圧縮機に供給し、及び
    加熱された前記液体を蒸気発生装置に供給してこの液体の蒸気を発生することを特徴とする蒸気供給方法。
17. 前記圧縮機で圧縮される前記蒸気は、前記蒸気発生装置で発生した前記蒸気の一部である請求項１６に記載の蒸気供給方法。
18. 前記蒸気冷却装置から排出されて前記他の１つの圧縮機に供給される前記蒸気に含まれる水分を除去する請求項１６または１７に記載の蒸気供給方法。

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