JP5130676B2 - 蒸気発生システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気発生システムに関する。

蒸気発生システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて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０．７〜０．８（７０〜８０％）である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気発生システムに関して、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発生システムを提供することを目的とする。

本発明の蒸気発生システムは、エンジンと、前記エンジンに機能的につながった圧縮部を有するヒートポンプと、前記ヒートポンプからの熱伝達によって蒸気を発生させる第１蒸気発生装置と、を備えることを特徴とする。

この蒸気発生システムによれば、ヒートポンプを用いることにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率が得られる。また、エンジンとヒートポンプとのコンバインドにより、熱効率の向上が図られる。

蒸気発生システムは、前記エンジンからの排熱を用いて蒸気を発生させる第２蒸気発生装置をさらに備えることができる。また、蒸気発生システムは、エンジンの排熱を用いて加熱された水や蒸気を、給湯及び／又は空調管理に利用することもできる。

蒸気発生システムにおいて、前記エンジンに取り込まれる空気の少なくとも一部が前記ヒートポンプによって冷却される構成とすることができる。

蒸気発生システムにおいて、前記第１蒸気発生装置又は前記第２蒸気発生装置からの前記蒸気の一部を前記エンジンに導く蒸気注入装置をさらに備える構成とすることができる。

蒸気発生システムにおいて、前記エンジンからの前記排熱の一部が前記ヒートポンプの作動媒体に伝わる熱交換器をさらに備える構成とすることができる。

蒸気発生システムにおいて、前記エンジンは、発電機を有する構成とすることができる。

蒸気発生システムにおいて、前記第１蒸気発生装置は、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記蒸気が発生する蒸発部と、前記蒸発部からの前記蒸気を圧縮する圧縮機とを有する構成とすることができる。

蒸気発生システムにおいて、前記エンジンは、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンである構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。図１に示すように、蒸気発生システムＳ１は、ヒートポンプ１０と、第１蒸気発生装置ＳＴ１と、ガスタービン装置１００と、第２蒸気発生装置ＳＴ２とを備える。第１蒸気発生装置ＳＴ１は、ヒートポンプ１０からの熱伝達によって蒸気を発生させる。第２蒸気発生装置ＳＴ２は、ガスタービン装置１００からの排熱を用いて蒸気を発生させる。本実施形態において、被加熱媒体は水である。蒸気発生システムＳ１からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。蒸気発生システムＳ１の構成は、蒸気発生システムＳ１の設計要求に応じて様々に変更可能である。

ヒートポンプ１０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る。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少なく、環境に優しいという利点を有する。

具体的に、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して順次接続されている。吸熱部１１では、経路１５内を流れる作動媒体がサイクル外の熱源（例えば大気）の熱を吸収する。圧縮部１２は、圧縮機等によって作動媒体を圧縮する。この際、通常、作動媒体の温度が上がる。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。本実施形態において、後述するように、圧縮部１２は、ガスタービン装置１００によって駆動される。

放熱部１３は、圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、経路１５内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動媒体を膨張させる。この際、通常、作動媒体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができる。その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。ヒートポンプ１０に使用される作動媒体としては、フロン系媒体（HFC 245faなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な作動媒体が、蒸気発生システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。

第１蒸気発生装置ＳＴ１は、供給経路２０と、蒸発部２２と、圧縮機３０とを有する。供給経路２０は、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３を有する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環配管４８とを有する。タンク４７には、水の供給口と蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７は、必要に応じて液面を計測するレベルセンサ５０と、気液分離器（不図示）とを有する。循環配管４８は、ヒートポンプ１０の放熱部１３に隣接して配置される蒸発管５１と、必要に応じてポンプ５２とを有する。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプ５２を省いてもよい。

蒸発管５１と放熱部１３とを含んで熱交換器４０が構成される。熱交換器４０は、低温の流体（蒸発管５１内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器４０は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４０の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３の配管を、蒸発管５１の外周面及び／又は内部に配設することができる。

蒸発部２２において、供給口を介してタンク４７に水が供給され、タンク４７及び循環配管４８内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０の計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３からの熱伝達によって蒸発管５１内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。タンク４７の内部空間は、タンク４７の排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。タンク４７内の蒸気は、ダクト２３内を圧縮機３０に向けて流れる。

圧縮機３０は、供給経路２０上に配設され、その配設位置はタンク４７に対して下流である。圧縮機３０としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するのが用いられる。圧縮機３０は、タンク４７からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。

圧縮機３０（または供給経路２０）には、蒸気に対して水を供給するノズル３５が、必要に応じて配設される。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び／又は出口である。圧縮機３０が多段式である場合には、ノズル３５を圧縮機３０の段間に配設することもできる。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが配管３６を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温であるタンク４７内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７などの動力源を用いてもよく、配管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

圧縮機３０による吸引作用により、供給経路２０におけるヒートポンプ１０による加熱部位での内部空間、すなわちタンク４７の内部空間が減圧される。タンク４７の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給経路２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）や圧縮機３０が制御される。この制御は、例えば、タンク４７の内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

また、タンク４７及びヒートポンプ１０は、タンク４７の内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。なお、ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱媒体（水）の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）が低下する場合がある。タンク４７の内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域（入出力温度差）を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。例えば、水の入力温度は約２０℃であり、蒸発部２２からの水の出力温度は約９０℃である。

ガスタービン装置１００は、圧縮機１０３、燃焼器１０４、ガスタービン１０５、及び不図示の制御装置を有する。ガスタービン装置１００は、必要に応じて発電機１０６を有する。本実施形態において、圧縮機１０３、ガスタービン１０５、及び発電機１０６の各回転部が一軸にまとめられている。

ガスタービン装置１００において、吸気口１１０を介して圧縮機１０３に空気が入る。燃焼器１０４において、燃料が投入された圧縮空気が燃焼する。ガスタービン１０５において、燃焼ガスがタービンを回転させる。タービンの回転に伴い、発電機１０６が発電することができる。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２に、ガスタービン装置１００が機能的及び機械的につながっている。ガスタービン装置１００の回転軸は、ヒートポンプ１０の圧縮部１２の回転軸と同軸でもよく非同軸でもよい。ガスタービン装置１００とヒートポンプ１０の圧縮部１２との間に、必要に応じて、シャフト、ギアなどが配設される。ガスタービン装置１００の動力によって、ヒートポンプ１０の圧縮部１２（圧縮機）が駆動される。ヒートポンプ１０とガスタービン装置１００とのコンバインドにより、圧縮部１２の外部電源を不要にできる。

第２蒸気発生装置ＳＴ２は、ガスタービン装置１００からの排ガスが流れる排ガス経路１２０と、水の供給経路１２５と、排ガスの熱が水に伝達される熱交換器（排熱回収ボイラ）１３０と、必要に応じて不図示の排気塔とを有する。

排熱回収ボイラ１３０は、排ガス経路１２０の配管の一部と、水の供給経路１２５の配管の一部とが、互いに隣接して配置された構成を有する。排熱回収ボイラ１３０において、排ガス経路１２０を流れる排ガスと、供給経路１２５を流れる水とが熱交換する。この熱交換により、供給経路１２５内の水が蒸発する。排熱回収ボイラ１３０は、低温の流体（水）と高温の流体（排ガス）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。排熱回収ボイラ１３０は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。

ここで試算例を示す。ガスタービン装置１００の効率を３０％、排熱回収ボイラ１３０の効率を７０％、ヒートポンプ１０のＣＯＰを２．５とする。このとき、以下の式で概算できる蒸気発生システムＳ１の効率ηは、１２４％である。
η＝３０％・２．５＋（１００％−３０％）・０．７ ……（１）

本実施形態において、必要に応じて、ヒートポンプ１０によって冷却された空気が吸気口１１０に供給される。ヒートポンプ１０の配管に隣接して、ガスタービン装置１００の吸気配管の一部の配管１１１が配置されている。ガスタービン装置１００に供給される空気の少なくとも一部がこの配管１１１を通る。例えば、吸気口１１０における空気温度を計測した結果に基づいて、配管１１１を通る空気の割合が制御される。空気温度の制御により、例えば夏季など、吸気温度の上昇に伴うガスタービン装置１００の出力低下が回避される。その結果、ガスタービン装置１００の出力が長期的に安定する。

本実施形態において、第１及び／又は第２蒸気発生装置ＳＴ１，ＳＴ２からの蒸気をガスタービン装置１００に導く蒸気注入装置１１２を設けることができる。蒸気注入装置１１２は、蒸気を噴射するノズルと、蒸気が流れる配管と、必要に応じて蒸気を加圧するポンプ（いずれも不図示）とを有する。蒸気注入装置１１２は、必要に応じて、燃焼器１０４（燃焼器１０４の入口及び／又は出口）に蒸気を注入する。ガスタービン装置１００の稼動状態に応じて、蒸気の注入量及びタイミングが制御される。蒸気注入は、ガスタービン装置１００の出力向上に有利である。

本実施形態において、ガスタービン１０５からの排熱を用いて圧縮機１０３からの圧縮空気を加熱する不図示の熱再生器を設けることができる。熱再生器による排熱利用により、ガスタービン装置１００の熱効率の向上が図られる。

本実施形態において、ガスタービン装置１００の排ガス経路１２０の一部の配管１２２と、ヒートポンプ１０の吸熱部１１の配管とが、互いに隣接して配設された構成とすることができる。ヒートポンプ１０の吸熱部１１において、ヒートポンプ１０を流れる作動媒体と、配管１２２を流れる排ガスとが熱交換する。すなわち、ガスタービン１０５からの排熱の一部が、ヒートポンプ１０の作動媒体に与えられる。この熱交換により、例えば冬季など、外気温の低下に伴うヒートポンプ１０の吸熱機能低下が回避される。その結果、ヒートポンプ１０の出力が長期的に安定する。また、この熱交換により、ヒートポンプ１０の圧縮前の作動媒体の温度が上昇する。圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部１２の動力の低減化が図られる。

本実施形態において、蒸気発生のための加熱温度領域の一部を圧縮機３０が補うことができる。すなわち、第１蒸気発生装置ＳＴ１において、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。ヒートポンプ１０で加熱された水が、圧縮機３０による圧縮によってさらに加熱され、これにより、１００℃以上の高温蒸気が発生する。

図２は、第１蒸気発生装置ＳＴ１による水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図２に示すように、水は、熱交換器４０（図１参照）において沸点近くまで温度上昇した後、相変化する。このとき、大気圧（Ｐ１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ０の状態において、飽和蒸気ｄ０が発生する。飽和蒸気ｄ０の温度は標準沸点よりも低い、例えば約９０℃である。

次に、その飽和蒸気ｄ０は、圧縮機３０（図１参照）による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気（過熱蒸気ｅ２）になる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気ｅ２の圧力Ｐ２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。

０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ２を定圧下で冷却することにより、約１６０℃の飽和蒸気を得ることができる（図２の破線ａ）。同様に、大気圧（約０．１ＭＰａ）の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約１００℃の飽和蒸気ｄ１を得ることができる。

過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機３０の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。

また、水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気ｄ０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ２への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機３０の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図２の破線ｃ１（スプレー）及びｃ２（圧縮））。または、圧縮機３０の中間で圧縮機３０の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図２の破線ｂ）。すなわち、圧縮機３０による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機３０から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。

このように、第１蒸気発生装置ＳＴ１において、図１に示すヒートポンプ１０による加熱と圧縮機３０による加熱とを含む順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。すなわち、ヒートポンプ１０による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機３０による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。つまり、蒸気発生システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

また、本実施形態において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機３０が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプ１０が使用され、したがって、第１蒸気発生装置ＳＴ１は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。すなわち、被加熱媒体（水）に対する比較的高温域の加熱に圧縮機３０を利用することは、熱伝達のみを利用した加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。

なお、本実施形態において、圧縮機３０、ポンプ５２、及び／又はポンプ３７の動力をガスタービン装置１００から得ることもできる。これにより、これらの外部電源を不要にできる。

また、本実施形態において、ガスタービン装置１００の発電機１０６を省く構成とすることもできる。

また、他の実施形態において、第２蒸気発生装置ＳＴ２に代えてまたは加えて、ガスタービン装置１００の排熱を用いて加熱された水や蒸気を、給湯及び／又は空調管理に利用する装置を備える構成とすることもできる。

また、別の実施形態において、ガスタービン装置１００に代えてまたは加えて、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンなど、他のエンジンを備える構成とすることができる。

図３は、第２実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ２について、図１に示す蒸気発生システムＳ１と同様の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３に示すように、蒸気発生システムＳ２は、複数の放熱部を有するヒートポンプ１０と、複数の蒸発部を有する第１蒸気発生装置ＳＴ１とを備える。蒸気発生システムＳ２において、ガスタービン装置１００及び第２蒸気発生装置ＳＴ２は、図１の蒸気発生システムＳ１とほぼ同じである。

本実施形態のヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して接続されている。

圧縮部１２は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図３に示す圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、及び第４圧縮部１２Ｄを含む４段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、蒸気発生システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。

本実施形態において、各圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが、ガスタービン装置１００によって駆動される。ガスタービン装置１００と圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄとの間に必要に応じて、シャフト、ギアなどが配設される。また、圧縮部同士の間に、必要に応じて、シャフト、ギアなどが配設される。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの圧縮比（圧力比）は、蒸気発生システムＳ１の仕様に応じて設定される。

放熱部１３Ａ〜１３Ｅは、圧縮部１２で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、経路１５内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、５つの放熱部１３Ａ〜１３Ｅが直列に配置されている。放熱部の数は、蒸気発生システムＳ１の仕様に応じて設定され、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。放熱部１３Ａは圧縮部１２Ａと１２Ｂとの段間に配置され、放熱部１３Ｂは圧縮部１２Ｂと１２Ｃとの段間に配置され、放熱部１３Ｃは圧縮部１２Ｃと１２Ｄとの段間に配置され、放熱部１３Ｄは圧縮部１２Ｄの下流位置に配置され、放熱部１３Ｅは、放熱部１３Ｄの下流位置に配置される。

本実施形態において、ヒートポンプ１０はさらに、バイパス経路１７と、再生器１８とを有する。バイパス経路１７の入口端がヒートポンプ１０の経路１５における放熱部１３Ｄと１３Ｅとの間の配管に接続される。バイパス経路１７の出口端が経路１５における放熱部１３Ｅと膨張部１４との間の配管に接続される。バイパス経路１７の入口に、作動媒体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路１７において、放熱部１３Ｄからの作動媒体の一部が、放熱部１３Ｅを迂回し、膨張部１４の手前で放熱部１３Ｅからの作動媒体と合流する。放熱部１３Ｄからの残りの作動媒体は、放熱部１３Ｅを流れ、熱交換器４１においてその作動媒体と供給経路２０内の水とが熱交換する。

再生器１８は、バイパス経路１７の配管の一部と、ヒートポンプ１０の経路１５の配管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の配管）の一部とが、互いに隣接して配置された構成を有する。ヒートポンプ１０において、吸熱部１１からの作動媒体に比べて、放熱部１３Ｄからの作動媒体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる放熱部１３Ｄからの作動媒体と、ヒートポンプ１０の経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動媒体の温度が降下し、経路１５内の作動媒体の温度が上昇する。再生器１８は、低温の流体（経路１５内の作動媒体）と高温の流体（バイパス経路１７内の作動媒体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。再生器１８は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。

本実施形態の第１蒸気発生装置ＳＴ１は、供給経路２０、蒸発部２２、及び圧縮機３０に加え、加温部２１を有する。供給経路２０は、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３とを有する。

加温部２１は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅに隣接して配置されかつ供給源（不図示）からの水が流れる配管を含む。加温部２１と放熱部１３Ｅとを含んで熱交換器４１が構成される。熱交換器４１は、低温の流体（供給経路２０内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器４１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅの配管を、加温部２１の配管の外周面や内部に配設することができる。加温部２１において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅからの熱伝達によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環配管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄとを有する。タンク４７には、加温部２１からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０と、気液分離器（不図示）とを有する。

本実施形態において、１つのタンク４７に対して各循環配管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄが流体的に接続されている。すなわち、循環配管４８Ａ〜４８Ｄの各入口端と各出口端とがタンク４７に流体的に接続される。循環配管の数は、蒸気発生システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。循環配管４８Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに隣接して配置される蒸発管５１Ａと、必要に応じてポンプ５２Ａとを有する。同様に、循環配管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに隣接して配置される蒸発管５１Ｂと、必要に応じてポンプ５２Ｂとを有する。循環配管４８Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃに隣接して配置される蒸発管５１Ｃと、必要に応じてポンプ５２Ｃとを有し、循環配管４８Ｄは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄに隣接して配置される蒸発管５１Ｄと、必要に応じてポンプ５２Ｄとを有する。本実施形態において、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄは、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。蒸発管５１Ａ〜５１Ｄは、タンク４７及び供給経路２０に対して並列に配置される。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプ５２Ａ〜５２Ｄの少なくとも１つを省いてもよい。

蒸発管５１Ａと放熱部１３Ａとを含んで熱交換器４２が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと放熱部１３Ｂとを含んで熱交換器４３が構成される。蒸発管５１Ｃと放熱部１３Ｃとを含んで熱交換器４４が構成され、蒸発管５１Ｄと放熱部１３Ｄとを含んで熱交換器４５が構成される。熱交換器４２〜４５は、低温の流体（蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。熱交換器４２〜４５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４２〜４５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの配管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄの外周面や内部に配設することができる。

蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が供給口を介してタンク４７に供給され、タンク４７及び循環配管４８Ａ〜４８Ｄ内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０の計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。タンク４７は、ダクト２３を介して圧縮機３０に流体的に接続されている。タンク４７の内部空間は、タンク４７の排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。タンク４７内の蒸気は、ダクト２３内を圧縮機３０に向けて流れる。

このように、本実施形態においては、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０からの熱伝達によって蒸気になる。まず、熱交換器４１において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅからの熱伝達によって沸点近くまで温度上昇する。その後、熱交換器４２〜４５において、放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの熱伝達によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が熱交換器４１において行われ、水の潜熱加熱が熱交換器４２〜４５において行われる。その結果、熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、熱交換器４２〜４５が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．７〜０．８（７０〜８０％）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。ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体（水）の入出力温度差に応じて変化し、比較的高い入出力温度差においてその成績係数が低下する傾向がある。本実施形態において、顕熱交換及び潜熱交換に対応してヒートポンプが個別の加熱部を有することにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。

本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動媒体の一部が熱交換器４１を迂回するから、熱交換器４１に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。

また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動媒体の一部が熱交換器４１を迂回することにより、熱交換器４１への作動媒体の流入量が制御され、その結果、熱交換器４１及び熱交換器４２（熱交換器４３〜４５）のそれぞれに対して、必要に応じた熱量を有する作動媒体が供給される。

バイパス経路１７を流れる作動媒体は、再生器１８において、ヒートポンプ１０の経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動媒体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ１０の経路１５内の作動媒体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部１２の動力の低減化が図られる。

なお、作動媒体のバイパス量は、被加熱媒体及び作動媒体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。被加熱媒体が水でありかつ、作動媒体がフロン系媒体又はアンモニアである場合には、熱交換器４２〜４５における作動媒体の単位時間あたりの流量に対して、バイパス量がモル比で５０％程度であるのが好ましい。この場合、顕熱及び潜熱のそれぞれにおいて水と作動媒体との間の熱バランスが良い。さらに、再生器１８における作動媒体同士の熱バランスも良い。

また、本実施形態において、再生器１８で温度降下したバイパス経路１７内の作動媒体（例えば約２０℃）は、膨張部１４の手前で、ヒートポンプ１０の経路１５を流れる熱交換器４１（放熱部１３Ｅ）からの作動媒体と合流する。前述したように、熱交換器４１からの作動媒体の出力温度は比較的低く設定される（例えば約３０℃）。膨張部１４に対する作動媒体の入力温度の降下により、作動媒体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部１１においてサイクル外の熱源（例えば大気）から有効に熱が吸収される。

このように、本実施形態において、水の蒸発に用いた後の作動媒体が水の加温と作動媒体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。

また、本実施形態において、圧縮部１２が多段式である点からも、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部１２の段間の放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの熱が奪われることとによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動媒体の温度上昇と、段間の放熱部（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ）における作動媒体の温度降下との繰り返しの数（再熱の段数）は、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である。

また、本実施形態において、多段式の圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度が再生器１８によって高められている点も、圧縮部１２の動力低減に有利である。また、段間の放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの冷却を利用して、被加熱媒体である水を加熱する点からも、熱の有効利用が図られる。

また、本実施形態において、供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体（蒸気）の比率が高くなり、蒸気発生の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、質量及びボリュームとして水が支配的であるのが好ましい。供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを有することにより、気体の比率が高い水に対する加熱が回避され、その結果、蒸気発生に伴う熱伝達率の低下が抑制される。また、熱交換面積の拡大のために蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが個々に独立していると差圧が小さくて済み、熱交換面積の拡大に伴う水輸送動力の増加が抑制される。蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが並列配置されていることは、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。

また、本実施形態において、独立した複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを供給経路２０が有することにより、熱バランス制御の向上が図られる。ヒートポンプ１０においては、放熱部１３Ａ〜１３Ｄの間で、作動媒体の状態（圧力など）が異なる。各放熱部１３Ａ〜１３Ｄに対応する複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、放熱部１３Ａ〜１３Ｄを有する多段式の圧縮部１２における再熱制御の最適化が図られる。

図４は、蒸発管５１Ａにおける水の流量を制御する構成の一例を示す。ヒートポンプ１０において、蒸発管５１Ａに対応する放熱部１３Ａの出口温度を計測するセンサ７１が設けられている。制御装置７０は、センサ７１の計測結果に基づいて、蒸発管５１Ａ用のポンプ５２Ａを介して蒸発管５１Ａを流れる単位時間あたりの水の流量を制御する。これにより、放熱部１３Ａにおける作動媒体の出口温度を目標値に設定することができる。放熱部１３Ａの入口温度を計測するセンサ７２を用いてもよい。図３において、他の蒸発管５１Ｂ〜蒸発管５１Ｄ及び対応する放熱部１３Ｂ〜１３Ｄもこれと同様の構成を採用することができる。

図５は、第２実施形態の変形例である第３実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ３について、図３に示す蒸気発生システムＳ２と同様の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、本実施形態の蒸気発生システムＳ３は、第２実施形態と異なり、第１蒸気発生装置ＳＴ１における水を貯溜するタンクが、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄに対応する複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有する。ヒートポンプ１０の構成は、第２実施形態のそれと同様である。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄと、各タンク４７Ａ〜４７Ｄに流体的に接続された循環配管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄとを有する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄには、加温部２１からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７Ａ〜４７Ｄは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄと、気液分離器（不図示）とを有する。

本実施形態において、タンク４７Ａに対して、蒸発管５１Ａを有する循環配管４８Ａが流体的に接続されている。すなわち、循環配管４８Ａの各入口端と各出口端とがタンク４７Ａに流体的に接続される。同様に、タンク４７Ｂに対して蒸発管５１Ｂを有する循環配管４８Ｂが流体的に接続されている。タンク４７Ｃに蒸発管５１Ｃを有する循環配管４８Ｃが流体的に接続され、タンク４７Ｄに蒸発管５１Ｄを有する循環配管４８Ｄが流体的に接続されている。タンク及び循環配管（蒸発管）の数は、蒸気発生システムＳ２の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。本実施形態において、タンク４７Ａ〜４７Ｄと蒸発管５１Ａ〜５１Ｄの各ペアが、供給経路２０に対して並列に配置される。

本実施形態の第１蒸気発生装置ＳＴ１において、加温部２１で温度上昇した水が分岐して各タンク４７Ａ〜４７Ｄに供給され、各タンク４７Ａ〜４７Ｄ及び各循環配管４８Ａ〜４８Ｄ内に水が貯溜される。供給経路２０は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量を制御するバルブ８０Ａ〜８０Ｄを有する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄ内の液面が所定範囲内になるように、バルブ８０Ａ〜８０Ｄを介して各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄの計測結果に基づいて、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄは、ダクト２３を介して圧縮機３０に流体的に接続されている。タンク４７Ａ〜４７Ｄの内部空間は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄの排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。

圧縮機３０（または供給経路２０）には、蒸気に対して水を供給するノズル３５が、必要に応じて配設される。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び／又は出口である。圧縮機３０が多段式である場合には、ノズル３５を圧縮機３０の段間に配設することもできる。ノズル３５と少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄの液相位置とが配管３６を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温である少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄ内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７などの動力源を用いてもよく、配管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

本実施形態においても、第２実施形態と同様に、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｅ）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。蒸気発生システムＳ３からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態では、複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有することにより、蒸気需要の変動に対する柔軟性が高い。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

第１実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第１蒸気発生装置による水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 第２実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す。 第３実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…蒸気発生システム、ＳＴ１…第１蒸気発生装置、ＳＴ２…第２蒸気発生装置、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３，１３Ａ〜１３Ｅ…放熱部、１４…膨張部、１５…経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給経路、２１…加温部、２２…蒸発部、２３…ダクト、３０…圧縮機、３５…ノズル、４０〜４５…熱交換器、４７，４７Ａ〜４７Ｄ…タンク、４８，４８Ａ〜４８Ｄ…循環配管、５０…レベルセンサ、５１，５１Ａ〜５１Ｄ…蒸発管、７０…制御装置、７１，７２…センサ、１００…ガスタービン装置（エンジン）、１０３…圧縮機、１０４…燃焼器、１０５…ガスタービン、１０６…発電機、１１０…吸気口、１１２…蒸気注入装置、１２０…排ガス経路、１３０…排熱回収ボイラ。

Claims (6)

1. エンジンと、
   ヒートポンプと、
   前記ヒートポンプからの熱伝達によって蒸気を発生させる第１蒸気発生装置と、
   前記エンジンからの排熱を用いて蒸気を発生させる第２蒸気発生装置と、を備え、
   前記ヒートポンプは、経路内に作動媒体が流れる吸熱部と、前記エンジンに機能的につながった圧縮部と、を有し、
   前記吸熱部が、前記エンジンに取り込まれる空気の少なくとも一部が通る配管と、前記エンジンからの排熱の一部が流れる配管とに挟まれて配置されることで前記空気及び排ガスと前記作動媒体とが熱交換することを特徴とする蒸気発生システム。
2. 前記エンジンに取り込まれる前記空気の少なくとも一部が前記吸熱部によって冷却されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
3. 前記第１蒸気発生装置からの前記蒸気の一部を前記エンジンに導く蒸気注入装置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に記載の蒸気発生システム。
4. 前記エンジンは、発電機を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の蒸気発生システム。
5. 前記第１蒸気発生装置は、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記蒸気が発生する蒸発部と、前記蒸発部からの前記蒸気を圧縮する圧縮機とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の蒸気発生システム。
6. 前記エンジンは、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンである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発生システム。

Images