JP6889462B2 - 発電装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、市・町・村の発電装置の運転方法に関する。

特許文献１の発明の課題は、凝縮器１８の小型化を図りつつ凝縮器でのエネルギー損失を低減することである。この特許文献１の発電装置１０は、作動媒体液（温水）を蒸発させる蒸発手段１４と、この蒸発手段１４で発生した作動媒体蒸気（高圧水蒸気）が膨張機１６に導入して発電機２４を駆動して発電を行う発電手段２５と、前記膨張機１６から排出された作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器１８と、凝縮器１８で凝縮した作動媒体液の熱を利用する利用側熱交換器２２とを備えるものの、前記作動媒体液（温水）は、温水圧送ポンプ３８を含む循環回路１２を介して前記蒸発手段１４に供給する構成である（符号は特許文献１のもの）。付言すると、本願発明のように、川、沼、湖水等の地域の水源を有効活用するものではない。

ところで、近年、ソーラーバネルを地域の土地に配設した「太陽光発電事業」が頻繁に行われている。しかしながら、この太陽光事業は、地域の森林を伐採して設置面積の増大化を図るものであることから、自然が破壊されるという問題点がある。
特許文献２は、木質系バスオマスの発生熱利用方法が開示されている。この特許文献２は、燃焼ガスでガスタービン発電機を駆動し、かつ、該ガスタービン発電機で発電した電力を温室の光源や木材乾燥室の光源に利用するものである。
しかしながら、この特許文献２も特許文献１と同様に、地域の川、沼、湖水等の水源及び地域の木質バイオマスを有効的に活用するものではないから、地域の森林事業を活性化するものではない。

そこで、現在、環境面のみならず、地域の経済面・社会面にも配慮した発電装置の出現が要望されている。

特開２０１１−２１４４３０号公報 特開２００５−１８０７４６号公報

本発明の主たる目的は、地域の川又は湖水のいずれかの水源を生かしつつ、異なる発電方式を２つ以上組み合わせ、地域全体としての発電量を増大することである。また地域の水源及び木質バイオマスを含む熱源を有効的に活用することができる発電装置を市・町・村の地域に設け、当該地域の市町村、地域森林組合、地域の方々等との連携によって運営する地域の発電装置の運転方法を提案することである。なお、前記木質バイオマスは、地域如何によって、間伐材の供給制約がある場合には、国内のバイオマス発電の燃料が全体的に不足するので、地域の森林を保護する必要がある場合には、輸入の木質バイオマスを含んでも良い。

第２の目的は、本発明の主たる目的の繰り返しになるが、地域で第１発電工程の後の第２発電工程の発電に使用した高圧蒸気の余剰の高圧蒸気を、地域の熱利用設備及び木質バイオマス乾燥室の両方に利用するのみならず、さらに、第３発電機を駆動する第３発工程に利用し、全体として地域の発電量を増やし、当該地域の経済面・環境面・社会面での活性化を図ることである。これにより、熱源としての化石燃料を、木質バイオマスへと変換させ、炭酸ガスの削減を図ることである。
第３の目的は、制御部が給水経路の流量を調節すること、蒸気発生タンクの圧力を調節すること、水源の水質を管理すること等である。なお、ここで「地域」とは、市・町・村の区分けをいう。

本発明の発電装置の運転方法は、地域の川、又は湖水のいずれかの水源から水圧管を介して水を導入し、かつ、第１発電手段を駆動して発電を行う第１発電工程と、この第１発電工程を経た水を給水ポンプ及び給水経路を利用して蒸気発生手段に圧送する給水工程と、この給水工程で得た水を前記蒸気発生手段で高圧蒸気にする蒸気発生工程と、この蒸気発生工程で発生した前記高圧蒸気を蒸気噴射手段に導入する高圧蒸気導入工程と、前記蒸気噴射手段により回転軸を高速回転させ、該高速回転力により第２発電機を駆動して発電を行う第２発電工程と、この第２発電工程を経た余剰の高圧蒸気を下流側の熱利用手段に導入する熱利用工程と、前記熱利用工程の木質バイオマス乾燥室で乾燥された前記地域の木質バイオマスを前記蒸気発生手段に供給する燃料供給工程とから成る発電装置の運転方法であって、前記蒸気発生工程の蒸気発生手段は、前記地域の木質バイオマスを熱源とする木質バイオマスボイラーであり、また前記熱利用工程の熱利用手段は、前記第２発電工程を経た余剰の高圧蒸気を導入する前記地域の熱利用設備及び所定空間を有する乾燥室本体内に、少なくとも前記余剰の高圧蒸気を一方向に案内するように蛇行状に配設されたヒータを備える木質バイオマス乾燥室であり、前記熱利用工程の熱利用手段には、さらに、前記余剰の高圧蒸気で第３発電機を駆動して発電を行う第３発電工程が加えられていることを特徴とする。

上記構成に於いて、発電装置には制御部が含まれていると共に、木質バイオマスボイラーに水位センサーが配設され、該制御部は水位センサーの検出信号に基づき給水ポンプの回転数を制御することにより、給水経路の流量を調節することを特徴とする。
また発電装置には制御部が含まれていると共に、木質バイオマスボイラーに圧力センサーが配設され、該制御部は圧力センサーの検出信号に基づき前記木質バイオマスボイラーに設けられた蒸気排出バルブの開閉を制御することにより、木質バイオマスボイラーの蒸気発生タンクの圧力を調節することを特徴とする。また給水工程には、水質を管理する水質管理工程が含まれていることを特徴とする。

なお、本明細書に於いて、「第１発電手段」は、いわゆる水力発電所であり、例えば上流の沼と発電所の地下室との間に配設された水車と、この水車の回転を利用して発電する水力発電機を含む。また「第２発電手段」は、蒸気発生手段、蒸気噴射手段及び第２発電機を含むものである。さらに第３発電手段は、前記第２発電手段の蒸気発生手段で発生した蒸気を利用する第３発電機を含むものである。

（ａ）請求項１に記載の発明は、_Hlk59013709地域の水源を生かしつつ、第１発電工程と第２発電工程と第３発工程を組み合わせて地域全体としての発電量を増大することができる。また地域の木質バイオマス燃料を継続的に生産する必要があるから、当該地域では農業・林業など新事業が創設され、この新事業により当該地域の雇用が確保される。したがって、地域の人口の拡充・若手人材の都会への流出を抑制することができる（社会的な活性化）。また当該地域での間伐材の計画伐採が可能となることで、肥えた森林化につながり、森林の単位面積あたりの炭酸ガス吸収量を増加させることが可能となると共に、ソーラパネルの設置の場合と同様に広い範囲の森林を伐採する必要がないので、水害、住民とのトラブル等の問題が発生しない。さらに、発電に利用した余剰の高圧蒸気を地域の熱利用設備（例えば熱利用設備を利用する温浴設備、病院、道路、ビニールハウス等）に利用する場合には、いわゆるヒートシェアリングが可能となると共に、該熱利用設備が現在使用している熱源としての化石燃料を、木質バイオマスに替えることができるから、炭酸ガスを削減することができる（環境面への貢献）。一方、発電に利用した余剰の高圧蒸気を木質バイオマス乾燥室に利用する場合には、地域の木質バイオマスを循環的・効率的に使用することができる。また、燃料費及び冷暖房費用の大幅削減が可能となると共に、木質バイオマス燃料の生産の拡大から派生する木質燃料の外販も可能となるので、農業・林業による地元の収益アップも期待することができる（経済効果）。さらに、木質バイオマスボイラーの燃焼炉に木質バイオマス乾燥室で乾燥した木質バイオマスを供給する燃料供給工程を含むので、循環的・効率的に木質バイオマスを燃焼させることができる。
_Hlk59013709（ｂ）本願発明は、地域の川、又は湖水のいずれかの水源を利用すると共に、該地域の木質バイオマスを熱源とする上流側の木質バイオマスボイラー及び蒸気タービンを利用して発電することにより、発電装置に対する投資額を減らすことができる。付言すると、本願発明の第２発電手段は、電気事業法が適用されず、労働安全衛生法が適用されるので、発電装置の設置費用を安価にすることができる。
（ｃ）請求項２に記載の発明は、全体としての発電装置Ｙには単数又は複数の制御部が含まれていると共に、木質バイオマスボイラーに水位センサーが配設され、該制御部は水位センサーの検出信号に基づき給水ポンプの回転数を制御することにより、給水経路の流量を調節することができる。
（ｄ）請求項３に記載の発明は、木質バイオマスボイラーに圧力センサーが配設され、制御部は圧力センサーの検出信号に基づき前記木質バイオマスボイラーに設けられた蒸気排出バルブの開閉を制御することにより、木質バイオマスボイラーの蒸気発生タンクの圧力を調節することができる。
（ｅ）請求項４に記載の発明は、給水工程には、水質を管理する水質管理工程が含まれているので、常に綺麗な水を供給することかぎできる。

図１乃至図８は本発明の第１実施形態を示す各説明図である。図９乃至図１０は本発明の第２実施形態を示す各説明図である
発電装置の運転方法Ｘを示す工程図。 運転方法に用いる発電装置Ｙの概略説明図。 第１発電工程の第１発電手段の一例を示す説明図。 第２発電工程の第２発電手段の一例を示す説明図（供給手段も示す）。 制御部７の制御対象を示すブロック図。 地域の熱利用設備（温水風呂に利用した一例）の概略断面図。 平面視からの説明図。 木質バイオマス乾燥室の斜視からの概略説明図。 木質バイオマス乾燥室の概略断面説明図。 本発明の第２実施形態の発電装置の運転方法Ｘ１を示す工程図。 第１発電工程の第１発電手段に加味される他の発電手段（風力発電所と地熱発電所）を示す概略説明図。

図１乃至図９は本発明の一実施形態である。図１は発電装置の運転方法（以下、「運転方法」という）を示す工程図である。図２は運転方法Ｘに使用される発電装置Ｙであるから、発電装置Ｙの構成部材の用語をそのまま運転方法Ｘに用いる。

まず、図１の工程図を参照にして、この運転方法Ｘの各工程を簡単に説明する。Ｗは水源、Ａは第１発電工程、Ｂは貯水槽を含む水質管理工程、Ｃは給水工程、Ｄは蒸気発生工程、Ｅは高圧蒸気導入工程、Ｆは第２発電工程、Ｇは熱利用工程、Ｈは第３発電工程、Ｉは燃料供給工程である。そして、前記熱利用工程Ｇには、少なくとも複数の熱利用方法Ｇ１、Ｇ２が含まれている。本実施形態では、例えば市・町・村の水源を生かしつつ、３つ発電工程を組み合わせている。３つ発電方式は、例えば水力発電と木質バイオマスを熱源とする木質バイオマスボイラーである。なお、前記熱利用工程Ｆは、段落００３０以下で後述するように、前記第２発電工程Ｆを経た余剰の高圧蒸気を導入する、好ましくは第２発電手段側の蒸気分配手段２５を介して接続する地域の熱利用設備Ｇ１及び木質バイオマス乾燥室Ｇ２の両方、それに第３発電機２１Ａを駆動する第３発電工程Ｈである。

まず第１発電工程Ａは、図３で示すように、いわゆる水力発電所１であり、この水力発電所１は、例えば水源Ｗの一例である上流の沼と水力発電所１の地下室１ｂとの間に配設された水車の回転を利用して発電する水力発電機（第１発電機）２を有している。

したがって、第１発電手段は、図示しない水車と、この水車の回転を利用して発電する第１発電機２とから成る。この第１発電工程Ａの電力は地域で消費することができると共に、風力、地熱等の発電手段を加味して売電も可能である。なお、図３に於いて、１ａは水源Ｗから第１発電機２に水を導入する水圧管、１ｃは第１発電機２で利用した水を貯水槽３に案内する配管である。

次に給水工程Ｃは、前記第１発電工程Ａを経た水を管理する水力発電所１を経るか、又は該水力発電所１を経ないかのいずれかにより、水源Ｗからの水を蒸気発生手段１１に圧送する。

好ましくは水力発電所１が貯水槽等の施設を一括管理することができるように、水力発電所１が管理する水質管理施設により水質管理工程Ｂを経た綺麗な水が、第２発電手段を構成する蒸気発生手段１１に送られる。

すなわち、この給水工程Ｃは、水源Ｗが土砂等で汚れることを考慮し、水質を管理する水質管理工程Ｂを含み、この水質管理工程Ｂでは、貯水槽３に公知の単数又は複数の浄水手段４を配設している。このように水質管理工程Ｂで管理された綺麗な水が、給水ポンプ５、給水経路６等を介して蒸気発生手段１１に圧送される（図１乃至図３を参照）。

ところで、実施形態では、前記給水ポンプ５は制御部７によって制御される。すなわち、発電装置Ｙには単数又は複数の制御部７が含まれていると共に、後述の木質バイオマスボイラー１１に水位センサー２２が配設され、該制御部７は水位センサー２２の検出信号に基づき給水ポンプ５の回転数を制御することにより、給水経路６の流量を調節する。

次に蒸気発生工程Ｄは、前記給水工程Ｃで得た水を蒸気発生手段１１で高圧蒸気にする。この蒸気発生手段１１の熱源は「木質バイオマスａ」である。この木質バイオマスａは、森林が存在する地域に設けられた木質バイオマス乾燥室５０で乾燥される。
図４で示すように、乾燥した木質バイオマスａは、適宜に運搬されて貯蔵サイロ３０に投入され、該貯蔵サイロ３０のすり鉢形状の下端中央部に接続する案内管３１を介してホッパー３２に送られる。ホッパー３２に送られた木質バイオマスａは、コンベアー、スクリュー等の搬送手段３３を介して燃焼炉１２に運ばれる。したがって、実施形態では、前記貯蔵サイロ３０、案内管３１、ホッパー３２、搬送手段３３から成る燃料供給工程Ｉが加味されている。

ところで、蒸気発生手段１１は、例えば図４で示す構造の「木質バイオボイラー」である。この木質バイオボイラー１１は、日本国では、電気事業法が適用されず、労働安全衛生法が適用されるので、設置コストを削減することができる。ここで、図４及び図５を参照にして木質バイオボイラーの構成を簡単に説明する。１２は燃焼炉、１３は燃焼炉の上部に一体的に設けられた蒸気発生タンク、１４は燃焼炉の外壁面に設けられた煙突、１５は煙突に接して配設された高圧蒸気誘導管、１６は前記蒸気発生タンクの上面に一体的に設けられた縦型の噴射室、１７は前記高圧蒸気誘導管の挿入先端部に設けられた複数の噴射ノズル、１８は噴射室１６に回転自在に内装されたタービンブレード（回転羽根）、１９はタービンブレードの回転軸、２０は動力伝達手段、２１は第２発電機、２２は水位センサー、２３は圧力センサー、２４は蒸気排出バルブである。

次に高圧蒸気導入工程Ｅは、蒸気発生工程Ｄで発生した高圧蒸気を噴射室１６に配設された噴射ノズル１７に導入する。実施形態では、前述した高圧蒸気誘導管１５は、上端部と略中央部或いは下端部寄りの部位に上下一対の水平管１５ａを有し、これらの水平管は噴射室１６の一側壁を適宜に貫入している。そして、水平管１５ａの挿入先端部の噴射ノズル１７は、タービンブレード１８の受け板に対して指向している。

ところで、実施形態では、木質バイオマスボイラーの燃焼炉１２の上部に圧力センサー２３が配設され、前述した制御部７は圧力センサー２３の検出信号に基づき前記木質バイオマスボイラーに設けられた蒸気排出バルブ２４の開閉を制御する。これにより木質バイオマスボイラー１１の蒸気発生タンク１３の圧力を調節する。

次に第２発電工程Ｆは、高圧蒸気導入工程Ｅの噴射ノズル１７で高圧蒸気を噴射室に内装されたタービンブレード１８の受け板に噴射し、かつ、該タービンブレード１８の高速回転力により第２発電機２１を駆動して発電を行う。この第２発電工程Ｆで発電された電力は、地域の熱利用手段に提供することができると共に、売電も可能である。

次に熱利用工程Ｇは、第２発電工程Ｈを経た余剰の高圧蒸気を下流側の熱利用手段（設備Ｇ１、乾燥室Ｇ２………光源Ｉｎ）に導入する。図６及び図７は地域の熱利用設備Ｇ１の一例としての「温水風呂」を概略的に示したものである。一方、図８及び図９は地域の熱利用設備Ｇ２の一例としての「木質バイオマス乾燥室」を概略的に示したものである。もちろん、熱利用設備Ｇ１、Ｇ２は、これらに限定するものではない。

図６及び図７で示すように、温水風呂Ｇ１は、例えば風呂本体４０の床下４１の空間部４２に余剰の高圧蒸気を一方向に案内するヒータ４３が蛇行状に配設されている。したがって、前記ヒータ４３は熱交換器である。

また図８及び図９で示すように、木質バイオマス乾燥室Ｇ２は、上述の温水風呂Ｇ１と同様に、所定空間を有する乾燥室本体５０の床下５１の空間部５２に余剰の高圧蒸気を一方向に案内するヒータ５３が蛇行状に配設されている。したがって、前記ヒータ５３は熱交換器である。

なお、乾燥室本体５０には、空気を乾燥室本体内に導入する第１ダクト５４、湿気を乾燥室本体５０外へ排出するための排出ダクト５５、送風機５６、乾燥用の木質バイオマスａを載せる乾燥台５７が適宜に設けられている。また、前記乾燥台５７は望ましくは網目状のものが採用されている。また乾燥台５７は固定式であるが、可動式のものが望ましい。

熱利用工程Ｇは、第２発電手段に蒸気分配手段２５を介して接続する地域の熱利用設備Ｇ１及び木質バイオマス乾燥室Ｇ２の両方である。また地域の熱利用設備Ｇ１は、例えば熱利用設備を利用する温浴設備、病院、道路、ビニールハウス、学校、役場、住宅等である。なお、実施形態では、木質バイオマスボイラーの燃焼炉に木質バイオマス乾燥室で乾燥した木質バイオマスを供給する燃料供給工程Ｉを含む（図１、図２）。

最後に運転方法Ｘの実施形態では、前記熱利用工程Ｇに第３発電工程Ｈが加味されている。すなわち、実施形態の第３発電工程Ｈは、図２で示すように、蒸気分配手段（例えば蒸気ベーグ）２５に接続する蒸気導入ポート２６を介して余剰の高圧蒸気で回転する第３タービンブレード１８Ａと、この第２タービンブレードの回転力により第３発電機２１Ａを駆動して発電を行う。それ故に、図１で示す熱利用工程Ｇには、地域の熱利用設備Ｇ１及び木質バイオマス乾燥室Ｇ２の両方、それに第３発電機２１Ａを駆動する第３発電工程Ｈが含まれる。
この第３発電機２１Ａは、第２発電機２１よりも小型である。この第３発電機を用いた第３発電工程Ｈでは、熱効率を高めるために、蒸気を凝縮する公知の凝縮器を適宜に用いても良い。この第３発電工程Ｈを経た余剰の蒸気は、熱交換器、熱交換管等の熱交換手段により熱が抜かれると、液化して温水となるので、該温水をさらに図示しない熱利用設備で利用することもできる。実施形態では、液化して温水を循環しないで、適宜に利用するか、又は水源Ｗに戻される。

特に図示しないが、本実施形態に於いて、蒸気噴射手段の一例として噴射ノズル１７、タービンブレード１８及び動力伝達手段２０の構成を図示したが、これらの構成を、特許文献１と同様に「膨脹機」に代えても良い。膨脹機は蒸気発生タンク１３で発生した高圧蒸気（作動蒸気）により、第２発電工程Ｈにおける第２発電機２１の回転軸１９を高速回転させる蒸気噴射手段である。したがって、第３発電工程Ｈにおける第３発電機２１Ａも同様である。

また貯蔵サイロ３０のすり鉢状の下端部又は案内管３１の適宜箇所に制御部７の制御信号により開閉する磁気式開閉弁３５を設け、該磁気式開閉弁３５、が開いた時に、貯蔵サイロ３０内の木質バイオマスａが自然落下するように構成しても良い。このように構成すると、自動的に木質バイオマスａを搬送手段３３に載せることができる。

なお、本実施形態では、第１発電工程Ａは、水力発電所１であるが、この水力発電所１に、他の発電手段（風力発電所１Ａと地熱発電所１Ｂ）を加味しても良い。図１０は本発明の第２実施形態の発電装置の運転方法Ｘ１を示す工程図、図１１は第１発電工程の第１発電手段に風力発電所１Ａと地熱発電所１Ｂをそれぞれ加味した概略説明図である。風力発電所１Ａと地熱発電所１Ｂの具体的構成は周知技術なので、割愛する。なお、６０は変電所である。

本発明は、市・町・村の地域の発電装置の運転方法である。

Ｘ、Ｘ１…運転方法、
Ｙ…発電装置、
Ｗ…水源、
ａ…木質バイオマス、
Ａ…第１発電工程
Ｂ…水質管理工程、
Ｃ…給水工程、
Ｄ…蒸気発生工程、
Ｅ…高圧蒸気導入工程、
Ｆ…第２発電工程、
Ｇ…熱利用工程、
Ｇ１…地域の熱利用設備、
Ｇ２…地域の木質バイオマス乾燥室、
Ｈ…第３発電工程、
Ｉ…燃料供給工程、
１…水力発電所、
２…第１発電手段、
３…貯水槽、
４…浄水手段、
５…給水ポンプ、
６…給水経路、
７…制御部、
１１…蒸気発生手段（木質バイオマスボイラー）、
１２…燃焼炉、
１３…蒸気発生タンク、
１４…煙突、
１５…高圧蒸気誘導管、
１６…噴射室、
１７…噴射ノズル、
１８…タービンブレード、
１９…回転軸、
２０…動力伝達手段、
２１…第２発電機、
２１Ａ…第３発電機、
２２…水位センサー、
２３…圧力センサー、
２４…蒸気排出バルブ、
２５…蒸気分配手段、
２６…蒸気導入ポート、
３０…貯蔵サイロ、
３１…案内管、
３２…ホッパー、
３３…搬送手段、
３５…磁気式開閉弁。

Claims (5)

1. 地域の川又は湖水のいずれかの水源から水圧管を介して水を導入し、かつ、第１発電手段を駆動して発電を行う第１発電工程と、この第１発電工程を経た水を給水ポンプ及び給水経路を利用して蒸気発生手段に圧送する給水工程と、この給水工程で得た水を前記蒸気発生手段で高圧蒸気にする蒸気発生工程と、この蒸気発生工程で発生した前記高圧蒸気を蒸気噴射手段に導入する高圧蒸気導入工程と、前記蒸気噴射手段により回転軸を高速回転させ、該高速回転力により第２発電機を駆動して発電を行う第２発電工程と、この第２発電工程を経た余剰の高圧蒸気を下流側の熱利用手段に導入する熱利用工程と、前記熱利用工程の木質バイオマス乾燥室で乾燥された前記地域の木質バイオマスを前記蒸気発生手段に供給する燃料供給工程とから成る発電装置の運転方法であって、
   前記蒸気発生工程の蒸気発生手段は、前記地域の木質バイオマスを熱源とする木質バイオマスボイラーであり、また前記熱利用工程の熱利用手段は、前記第２発電工程を経た余剰の高圧蒸気を導入する前記地域の熱利用設備及び所定空間を有する乾燥室本体内に、少なくとも前記余剰の高圧蒸気を一方向に案内するように蛇行状に配設されたヒータを備える木質バイオマス乾燥室であり、前記熱利用工程の熱利用手段には、さらに、前記余剰の高圧蒸気で第３発電機を駆動して発電を行う第３発電工程が加えられていることを特徴とする発電装置の運転方法。
   
2. 請求項１に於いて、前記発電装置には制御部が含まれていると共に、木質バイオマスボイラーに水位センサーが配設され、該制御部は水位センサーの検出信号に基づき給水ポンプの回転数を制御することにより、給水経路の流量を調節することを特徴とする発電装置の運転方法。
   
3. 請求項１に於いて、前記発電装置には制御部が含まれていると共に、木質バイオマスボイラーに圧力センサーが配設され、該制御部は圧力センサーの検出信号に基づき前記木質バイオマスボイラーに設けられた蒸気排出バルブの開閉を制御することにより、木質バイオマスボイラーの蒸気発生タンクの圧力を調節することを特徴とする発電装置の運転方法。
   
4. 請求項１に於いて、前記給水工程には貯水槽が含まれていると共に、水質を管理する水質管理工程が含まれていることを特徴とする発電装置の運転方法。
   
5. 請求項１に於いて、木質バイオマスボイラーの燃焼炉に木質バイオマス乾燥室で乾燥した木質バイオマスを供給する燃料供給工程を含むことを特徴とする発電装置の運転方法。

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