JP6193523B1

JP6193523B1 - 発電システム

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Publication number: JP6193523B1
Application number: JP2017058928A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　信三; 信三伊藤
Original assignee: EUREKA ENGINEERING INC.
Current assignee: EUREKA ENGINEERING INC.
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018096667A

Abstract

【課題】バイオマスの性状や原料の種類にかかわらず燃料として使用できると共に、固定価格買い取り制度(ＦＩＴ)を活用することで経済性を確立し、且つ地球温暖化対策に貢献できる発電システムを提供する。【解決手段】第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を発電ラインと、第２の供給側配管と第２の戻り側配管を介して前記加熱器の少なくとも一つに接続された第２のボイラを備えた加熱ラインとを具備した発電システム。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関し、特に、化石燃料及び／またはバイオマスを燃料として発電する発電システムに関する。

現在、地球温暖化問題が世界規模で深刻度を増しており、国連気候変動枠組条約第２１回締約国会議（ＣＯＰ２１）、京都議定書第１１回締約国会合（ＣＭＰ１１）で、温暖化対策の枠組みが決められ、地球温暖化の極めて大きい要因である二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量の削減目標が世界各国から提出されている。

一方、日本では、原子力発電所の事故の影響で、多くの原子力発電所が長期にわたる稼働停止状態にあり、再稼働が遅々として進んでいないという状況であるため、化石燃料（石炭、石油、天然ガス）による火力発電所の建設が計画されている。

火力発電の燃料は、石炭、天然ガスが多く使用されているが、これらの燃料による火力発電は、高効率であるもの、ｋＷ当たりのＣＯ₂の排出量が多く、特に、石炭火力発電のＣＯ₂の排出量は、天然ガス火力発電のＣＯ₂の排出量の約２倍であるため、前述のＣＯ₂の排出量削減目標の達成が難しいという問題がある。

そこで、前述のＣＯ₂の排出量の削減目標を達成するという対策として、石炭とバイオマスを燃料として発電する混焼発電システムや熱効率が高いガスタービンコージェネレーションシステムを活用したガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電が提案されている。

混焼発電システムは、特許文献１に記載されているように、石炭とバイオマスとを一台のボイラの燃料として用いた混焼発電システムが知られており、バイオマスを燃料の一部として使用することで、石炭の使用量を削減し、石炭の使用量の削減によって、ｋＷ当たりのＣＯ₂の排出量を低減することを図っている。

特開２０１４−２２８２６５号公報

しかしながら、前述の混焼発電システムは、植物残渣及び褐炭を原料として燃料となるバイオマス及び石炭を製造するための乾燥・撹拌・加熱等に必要な動力消費が大きく、火力発電の燃料が製造されるまでに、相当な電力・熱エネルギーを要するという問題がある。

また、前述の混焼発電システムでは、植物残渣及び褐炭を乾燥・撹拌・加熱等を行いバイオマス及び石炭を製造する装置を備えているが、あらかじめ製造されたバイオマス及び石炭を燃料として発電する混焼発電システムも存在する。

燃料に用いられるバイオマスは、ボイラ阻害物質（塩素、低融点物質であるカリウム及びナトリウム等）の含有率が低いと共に、単位発熱量が高い高質のバイオマス（例えば、低含水な木質チップ、木質ペレット）が最適であり、この高質のバイオマスを燃料として使用することによって、ボイラの腐食や汚れを低減することができると共に、高効率な発電を行うことができる。

混焼発電システムに用いられるボイラとしては、微粉炭焚きボイラが主流となっているため、燃料である微粉炭に対応させて、木質チップや木質ペレットを粉砕して微粉化して微粉炭に混合している。

また、バイオマスの内、木質チップは、その性状から粉砕性に難があって、微粉化されるまでの動力消費が大きいため、現在では、バイオマスは、粉砕性がよい木質ペレットが実用化されつつある。

しかしながら、木質ペレットは、高質なバイオマスとするために、原料となるパームヤシ殻（ＰＫＳ）や間伐材等の林地残材を粉砕、乾燥してペレットに成型するが、これらの原料においても、ペレットに成型するのに、原料を粉砕して微粉化する作業が必要であるため、結局は、この微粉化に要する動力消費が大きく、微粉化されるまでに相当な電力・熱エネルギーを必要とし、微粉化に対する加工コストが高騰してしまうという問題がある。

特に、ＰＫＳは、パームオイルの抽出後に残る廃棄物である一方、高質のバイオマスの原料として適したものであるが、極めて堅いものであるため、微粉化が難しく、この微粉化に要する動力消費がより大きくなってしまうという問題がある。

また、高質のバイオマスの資源量には限度がある上に、日本のみならず世界各国で需要が高まる可能性があり、原料コストの高騰が予想される。

このため、前述の各問題点を解消し、バイオマスの性状や原料の種類にかかわらず燃料として使用できると共に、固定価格買い取り制度(ＦＩＴ)を活用することで経済性を確立し、且つ地球温暖化対策に貢献できる発電システムが求められており、また、熱効率が高いガスタービンコージェネレーションシステムを活用した発電システムが求められている。

前述の課題を解決するため、本発明は、以下の手段を採用した。

第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を発電ラインと、第２の供給側配管と第２の戻り側配管を介して前記加熱器の少なくとも一つに接続された第２のボイラと、前記第２の供給側配管の道中に接続された少なくとも１台の背圧タービン発電機とを備えた加熱ラインを具備したことを特徴とする発電システムである。

第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を備えた発電ラインと、ガスタービン発電機と、前記ガスタービン発電機に接続された第２のボイラと、前記第２のボイラから前記加熱器の少なくとも一つに接続された第２の供給側配管と、前記第２の供給側配管の道中に接続された少なくとも１台の背圧タービン発電機と、前記復水器から前記第２のボイラに接続された第２の戻り側配管と、前記第２の供給側配管が接続された前記加熱器から前記第１の戻り側配管に接続された第３の戻り側配管とを備えた加熱ラインとを具備したことを特徴とする発電システムである。

前述の発電システムであって、前記第２のボイラの供給側で接続された配管道中に、少なくとも１台の背圧タービン発電機が接続されていることが好ましい。

第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を備えた発電ラインと、第２の供給側配管と第２の戻り側配管を介して前記復水タービンに接続された第２のボイラを備えた加熱ラインとを具備したことを特徴とする発電システムである。

第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を備えた発電ラインと、ガスタービン発電機と、前記ガスタービン発電機に接続された第２のボイラと、前記第２のボイラから前記復水タービンに接続された第２の供給側配管と、前記復水器から前記第２のボイラに接続された第２の戻り側配管とを備えた加熱ラインとを具備したことを特徴とする発電システムである。

前述の発電システムであって、前記第２の供給側配管の道中に前記第１のボイラが接続されていることが好ましい。

本発明に係る第１実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第２実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第３実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第４実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第５実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第６実施形態の発電システムを示す配管構成図である。本発明に係る第７実施形態の発電システムを示す配管構成図である。

以下、本発明に係る第１実施形態の発電システムＡを図１に基づいて説明する。

発電システムＡは、石炭の燃焼によって作られた過熱蒸気を動力として発電する発電ラインＬと、バイオマスの燃焼によって、発電ラインＬを通過する過熱蒸気が発電後に冷却されて生じる凝縮水を加熱する加熱ラインＳの二つのラインを備えている。

また、バイオマスとして、高質のバイオマスに限らず、低質のバイオマス(例えば、ＥＦＢ、竹、生ごみを含む可燃ごみやＲＤＦ等)を使用することができる。

発電ラインＬは、第１の供給側配管Ｌ１及び第１の戻り側配管Ｌ２を介して第１のボイラ１と発電機２Ａが接続された復水タービン２とが接続されており、石炭の燃焼によって第１のボイラ１が過熱蒸気を作り、第１のボイラで作られた過熱蒸気の圧力によって復水タービン２が回転し、この回転に伴って発電機２Ａによる発電が行われるようになっている。

復水タービン２から第１のボイラ１にわたる第１の戻り側配管Ｌ２上には、上流側(復水タービン２側)から復水器３と、熱交換装置ＨＣとが接続されている。

熱交換装置ＨＣは、低圧の給水加熱器（加熱器）４と、脱気器５と、高圧の給水加熱器（加熱器）６を有するものであり、低圧の給水加熱器４から、この低圧の給水加熱器４の下流側の第１の戻り側配管Ｌ２に配管された第３の戻り側配管Ｓ３が配管されており、さらに、低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６の夫々に、加熱ラインＳの第２の供給側配管Ｓ１が接続され、脱気器５に第２の戻り側配管Ｓ２が接続されている。

尚、例示した熱交換装置ＨＣは、２台の加熱器（低圧の給水加熱器４、高圧の給水加熱器６）を有するものに限らず、低圧の給水加熱器４と高圧の給水加熱器６のいずれか１台、或いは、低圧の給水加熱器４と高圧の給水加熱器６の任意の組み合わせで３台以上としてもよい。

加熱ラインＳは、第２のボイラ７が、第２の供給側配管Ｓ１を介して低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６に接続されていると共に、第２の戻り側配管Ｓ２を介して脱気器５に接続されている。

また、第２の供給側配管Ｓ１の道中、且つ高圧の給水加熱器６への分岐管Ｓ１０と脱気器５への分岐管Ｓ１１の間に背圧タービン発電機１１が接続されている。

また、低圧の給水加熱器４から第１の戻り側配管Ｌ２及び高圧の給水加熱器６から脱気器５に、夫々第３の戻り側配管Ｓ３が接続されている。

この加熱ラインＳは、バイオマスの燃焼によって第２のボイラ７が過熱蒸気を作り、この過熱蒸気が第２の供給側配管Ｓ１から高圧の給水加熱器６を通過すると共に、第３の戻り側配管Ｓ３を介して脱気器５を通過して第２の戻り側配管Ｓ２に至り、第２の戻り側配管Ｓ２を経て第２のボイラ７に戻るようになっている。

また、第２のボイラ７で作られた過熱蒸気の圧力で背圧タービン発電機１１を回転させて発電させるようになっている。

また、第２の供給側配管Ｓ１の過熱蒸気が、第２の供給側配管Ｓ１から低圧の給水加熱器４及び高圧の給水加熱器６を通過する際に凝縮水となり、この凝縮水を第３の戻り側配管Ｓ３を経て第１の戻り側配管Ｌ２に戻すと共に、脱気器５に戻すようになっている。

また、低圧の給水加熱器４、高圧の給水加熱器６を通過する過熱蒸気は、低圧の給水加熱器４、高圧の給水加熱器６を通過する復水器３で凝縮された凝縮水を加熱し、この加熱で熱せられた凝縮水が第２のボイラ７へ給水されるようになっている。

また、第１の戻り側配管Ｌ２側の凝縮水に含まれる空気を脱気器５で抜くようにされている。

また、第２のボイラ７で作られる過熱蒸気は、凝縮水をある程度高温に加熱できる程度の温度・圧力であればよく、第１のボイラ１で作る過熱蒸気に比べて低温・低圧でよい。

以上の構成とする発電システムＡによると、発電ラインＬでは、第１のボイラ１が過熱蒸気を作り、この過熱蒸気の圧力による復水タービン２の回転によって発電機２Ａを回転させて発電することができる。

復水タービン２を通過した過熱蒸気は、第１の戻り側配管Ｌ２に至ると共に、復水器３で凝縮水に凝縮されて、低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６を経て第１のボイラ１に給水され、この凝縮水で再び第１のボイラ１で過熱蒸気が作られて、連続した発電ができる。

一方、加熱ラインＳでは、第２のボイラ７が過熱蒸気を作り、この過熱蒸気が低圧の給水加熱器４、高圧の給水加熱器６を通過するときに、低圧の給水加熱器４、高圧の給水加熱器６を通過する凝縮水を加熱することができ、しかも、作られた過熱蒸気で背圧タービン発電機１１を回転させて発電することができる。

すなわち、復水器３での凝縮により冷却された凝縮水を、第２のボイラ７で作られた過熱蒸気によって加熱し、高温の状態で第１のボイラ１に給水するようにしているので、第１のボイラ１での過熱蒸気を効率よく作ることができ、これによって、石炭の使用量を削減することができる。

また、発電ラインＬばかりでなく、発電ラインＬで冷却された凝縮水を加熱する加熱ラインＳの過熱蒸気を利用して発電することができるので、高効率な発電ができる。

また、混焼発電システムに加熱ラインＳを増設し、この混焼発電システムを本願発明の発電システムＡに改良することも可能である。

したがって、発電システムＡは、バイオマスの性状や原料の種類にかかわらず燃料として使用できると共に、固定価格買い取り制度(ＦＩＴ)を活用することで経済性を確立し、且つ地球温暖化対策に貢献できる。

次に、本発明に係る第２実施形態の発電システムＢを図２に基づいて説明する。
尚、前述の発電システムＡと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。

発電システムＢでは、第１のボイラ１の燃料に高質のバイオマスを用い、第２のボイラ７の燃料に低質のバイオマスを用いている。

発電システムＢは、復水タービン２から高圧の給水加熱器６に直接配管された抽気配管Ｌ３と、高圧の給水加熱器６から脱気器５に配管された第３の戻り側配管Ｓ３とを備え、脱気器５に第２の供給側配管Ｓ１と第２の戻り側配管Ｓ２が接続されている。

この発電システムＢによると、抽気配管Ｌ３から高圧の給水加熱器６を通過する過熱蒸気で、低圧の給水加熱器４を通過して加熱された凝縮水をさらに加熱することができる。また、高圧の給水加熱器６を通過する凝縮水の加熱により過熱蒸気が冷却されて凝縮水となり、この凝縮水が第３の戻り側配管Ｓ３及び脱気器５を経て第１の戻り側配管Ｌ２に戻すことができる。

すなわち、発電システムＢは、復水タービン２から抽気される過熱蒸気を高圧の給水加熱器６を通過する凝縮水の加熱に利用することができると共に、第２のボイラ７の過熱蒸気を低圧の給水加熱器４に集中させることができる。

したがって、発電システムＢは、発電システムＡと同じ作用効果を有した上、復水タービン２から送出される熱エネルギーを有効利用できると共に、高圧の給水加熱器６での凝縮水の加熱をより効率よく行うことができるため、高質のバイオマスの使用量を削減できる一方、低質のバイオマスを使用することができる。

尚、抽気配管Ｌ３に加えて、復水タービン２から脱気器５に抽気配管を直接配管してもよい。

次に、本発明に係る第３実施形態の発電システムＣを図３に基づいて説明する。尚、前述の発電システムＡ、Ｂと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。

発電システムＣでは、第１のボイラ１の燃料に石炭を用い、第２のボイラ７の燃料に高質のバイオマスを用いている。

発電システムＣは、第２のボイラ７から復水タービン２にわたって第２の供給側配管Ｓ１が接続されていると共に、脱気器５を介して低圧の給水加熱器４から第２のボイラにわたって接続された第２の戻り側配管Ｓ２が接続されている。

また、復水タービン２から低圧の給水加熱器４及び脱気器５にわたって、抽気配管Ｌ４、Ｌ５が接続されている。

この発電システムＣによると、第１のボイラ１及び第２のボイラ７からの過熱蒸気を復水タービン２の作動に用いることができるので、高効率な発電を行うことができる。

また、復水タービン２から低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６の夫々にわたって抽気配管Ｌ３〜Ｌ５が接続されているので、抽気配管Ｌ３〜Ｌ５から低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６を通過する過熱蒸気で、低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６を通過して加熱された凝縮水をさらに加熱することができる。

次に、本発明に係る第４実施形態の発電システムＤを図４に基づいて説明する。尚、前述の発電システムＡと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。

発電システムＤでは、第１のボイラ１の燃料に高質のバイオマスを用い、第２のボイラの燃料に、流体化石燃料(石炭ガス化ガス、天然ガス、灯油、軽油等)を用いている。

発電システムＤは、加熱ラインＳの第２のボイラ７に排ガスボイラが用いられている。この第２のボイラ７は、流体化石燃料により発電するガスタービン発電機８が接続されており、ガスタービン発電機８から排気される排ガスにより過熱蒸気を作るようにされている。

加熱ラインＳは、第２のボイラ７から低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６に接続された第２の供給側配管Ｓ１と、復水器３から低圧の給水加熱器４にわたる第１の戻り側配管Ｌ２から第２のボイラ７に接続された第２の戻り側配管Ｓ２と、低圧の給水加熱器４から第１の戻り側配管Ｌ２及び高圧の給水加熱器６から脱気器５に、夫々接続された第３の戻り側配管Ｓ３を備えている。

この発電システムＤは、第１のボイラ１で作られた過熱蒸気を利用する発電と、流体化石燃料を利用したガスタービン発電機８による発電と、第２のボイラ７で作られた過熱蒸気を利用した背圧タービン発電機１１による発電との３つの発電手段を有しているので、高効率な発電を行うことができる。

第２のボイラで作られた過熱蒸気は、低圧の給水加熱器４及び高圧の給水加熱器６並びに脱気器５に供給され、復水器３から第１の戻り側配管Ｌ２を経て、低圧の給水加熱器４、脱気器５、高圧の給水加熱器６を通過する凝縮水を加熱し、過熱した凝縮水を第１のボイラ１に給水することができる。

したがって、この発電システムＤは、発電システムＡと同じ作用効果を有した上、３つの発電手段を有し、その一つの発電手段において、流体化石燃料によって発電して排気される排ガスによって作られる過熱蒸気を、発電ラインＬの凝縮水を加熱する熱源として利用しているので、高効率な発電が行えると共に、ＣＯ₂の削減に効果的である。

尚、第２のボイラ７の燃料として、流体化石燃料にバイオマスを由来とするガス（バイオマスガス化ガス、バイオガス（メタン発酵ガス））を混合した燃料を用いてもよいし、このバイオマスを由来とするガスを流体化石燃料に換えて用いてもよい。

次に、本発明に係る第５実施形態の発電システムＥを図５に基づいて説明する。尚、発電システムＥは、第１のボイラ１の燃料に石炭を用いおり、発電システムＣのように抽気配管Ｌ３〜Ｌ５が接続され、発電システムＤのように復水器３から第１の戻り側配管Ｌ２を介して第２のボイラ７に第２の戻り側配管Ｓ２が接続されていると共に、第２のボイラ７に流体化石燃料で発電するガスタービン発電機８を接続したものであるので、発電システムＣ、Ｄと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。

この発電システムＥは、発電システムＣにおける抽気配管Ｌ３〜Ｌ５による作用効果と、発電システムＤにおけるガスタービン発電機８による作用効果とを有する。

次に、本発明に係る第６実施形態の発電システムＦを図６に基づいて説明する。尚、発電システムＦは、発電システムＣにおける第２の供給側配管Ｓ２の道中に第２のボイラ７を接続したものであるので、発電システムＥと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。また、第１のボイラ１の燃料に石炭を用い、第２のボイラの燃料に低質のバイオマスを用いている。

この発電システムＦは、第２のボイラ７で作られた過熱蒸気が第１のボイラ１を通過すると共に、この通過時に第１のボイラ１によって再加熱されて復水タービン２へと送られることになる。

したがって、発電システムＣと同じ作用効果を有すると共に、第１の供給側配管Ｌ１と第２の供給側配管Ｓ１からの過熱蒸気で復水タービン２を作動させることができるので、高効率な発電を行うことができる。

次に、本発明に係る第７実施形態の発電システムＧを図７に基づいて説明する。尚、発電システムＧは、第２のボイラ７にガスタービン発電機８が接続され、復水器３から第１の戻り側配管Ｌ２を介して第２の戻り側配管Ｓ２が第２のボイラ７に接続されている構成以外は、発電システムＦと同様であるので、発電システムＦと重複する部位についての説明は、同符号を付すことにより省略する。また、第１のボイラ１に石炭を用いている。

発電システムＧは、発電システムＣ、Ｆと同じ作用効果を有し、これらの作用効果の相乗効果によって高効率な発電を行うことができる。

尚、本発明は、例示した実施の形態に限定するものでは無く、特許請求の範囲に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。

石炭又は高質のバイオマスを第１のボイラ１に使用し、低質のバイオマスを第２のボイラ(排ガスボイラを除く)７に使用することが望ましいが、これに限定するものではなく、石炭及びバイオマスをどのような組み合わせで使用してもよい。

また、用いられる燃料は、石炭やバイオマスに限らず、石炭とバイオマスの混合物や流体化石燃料を使用することができる。

Ａ：発電システム
Ｂ：発電システム
Ｃ：発電システム
Ｄ：発電システム
Ｅ：発電システム
Ｆ：発電システム
Ｇ：発電システム
ＨＣ：熱交換装置
Ｌ：発電ライン
Ｌ１：第１の供給側配管
Ｌ２：第１の戻り側配管
Ｓ：加熱ライン
Ｓ１：第２の供給側配管
Ｓ２：第２の戻り側配管
１：第１のボイラ
２：復水タービン
３：復水器
４：低圧の給水加熱器
６：高圧の給水加熱器
７：第２のボイラ
８：ガスタービン発電機
１１：背圧タービン発電機

Claims

第１の供給側配管と第１の戻り側配管を介して接続された第１のボイラ及び復水タービンを備えると共に、前記第１の戻り側配管に接続された復水器及び一つ以上の加熱器を有する熱交換装置を備えた発電ラインと、ガスタービン発電機と、前記ガスタービン発電機に接続された第２のボイラと、前記第２のボイラから前記加熱器の少なくとも一つに接続された第２の供給側配管と、前記第２の供給側配管の道中に接続された少なくとも１台の背圧タービン発電機と、前記復水器から前記第２のボイラに接続された第２の戻り側配管と、前記第２の供給側配管が接続された前記加熱器から前記第１の戻り側配管に接続された第３の戻り側配管とを備えた加熱ラインとを具備したことを特徴とする発電システム。