JPH0443802A - 廃熱を利用した蒸気タービン型・エネルギー・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、都市部から発生する廃熱を含む未利用エネ
ルギを蒸気タービンのエネルギ源に使用するようにした
エネルギー・システムに関する。

「従来の技術」 現在はオフィスビルや家庭の冷暖房、給湯などへのエネ
ルギ需要が拡大しており、省エネルギ政策の観点から、
都市廃熱を含む膨大な未利用熱エネルギの活用の推進が
喚起されている。

ここで上記の都市廃熱としては、火力発電所、地下鉄、
下水処理場、ゴミ焼却場などにおいてそれぞれ発生する
廃熱があり、また都市部だけでなく広く自然界において
は、海水と大気の温度差熱、河川熱、地下水熱などの潜
在的な未利用熱エネルギが存在している。

ところで、常用発電においては一般に広く蒸気タービン
を駆動源とする発電装置が採用されている。このような
発電装置は給水系と復水系とからなるランキンサイクル
を形成している。その構成の一例としては、給水系から
ボイラ熱により蒸気タービンを駆動して発電を行い、蒸
気タービンから排出される蒸気は復水器で冷却した後、
給水ポンプでボイラに送るようにしている。

「発明が解決しようとする課題Ｊ しかしながら、上記従来の発電装置においては、復水器
において使用済みの蒸気を冷却し、その保有熱をサイク
ル外に捨てていたため、サイクル効率が非常に悪いもの
であった。このため従来ではボイラー＼の給水を予熱す
る手段によりサイクル効率を向上させるようにしていた
が、この方式ではサイクル効率の向上におのずと限界が
あり、前記予軌手段にコストフリーの廃熱を利用したと
しても低温度差の未利用エネルギによっては効率よく発
電できるものではなく、飛躍的な発電効率の向上は望め
なかった。

そこで、このような廃熱を利用して発電効率を飛躍的に
向上させるために、コストフリーである廃熱を安価なラ
ンニングコストで発電サイクルに回収し、また回収した
廃熱を蒸気タービンの駆動源として利用できる温度のレ
ベルまで昇温する手段か実現できれば、極めて経済的な
エネルギー・システムを得ることができ、エネルギ経済
に大きく寄与することになる。

この発明は、上記背景に鑑みてなされたもので、廃熱を
回収して連転サイクルに取り込み、エネルギー効率を飛
躍的に向上させることのできる廃熱を利用した蒸気ター
ヒン型・エネルギー・システムを提供することを目的と
している。

「課題を解決するための手段ｊ この発明は、廃熱を蒸気タービンのエネルギ源に和］用
するエネルギー・システムであって、ボイラを付属する
軌駆動のヒートポンプと、このヒートポンプから送られ
る高温水より蒸気を発生させる蒸気発生器と、この蒸気
発生器から送られる蒸気を圧縮するコンプレッサと、こ
のコンプレッサて圧縮されに蒸気の熱を蓄える蓄熱槽と
、この蓄熱槽から熱を取り出す熱交換器と、廃熱を回収
して前記熱交換器から送られる蒸気を加熱する廃熱回収
ボイラと、この廃熱回収ボイラから送られる過熱蒸気で
駆動される蒸気タービンと、この蒸気タービンを駆動源
として発電を行う発電機と、蒸気タービンから排出され
る蒸気を冷却する復水器と、この復水器から水を前記熱
交換器に送る給水ポンプとを備えたものである。

前記ボイラには高温廃熱の取込み口を、前記ヒートポン
プには低温廃熱の取込み口を、前記蒸気発生装置には中
温廃熱の取込み口を、前記廃熱回収ボイラには高温廃熱
の取込み口をそれぞれ設けるのが望ましい。

また、本発明にかかる廃熱を利用した蒸気タービン型・
エネルギー・システムは、廃熱を回収して深夜帯に前記
蓄熱槽に蓄熱しておき、昼間帯の利用時に当該蓄熱槽か
ら熱を取り出して前記蒸気タービンに供給するようにし
たものである。

「作用　」 本発明にかかる廃熱を利用した蒸気タービン型・エネル
ギー・システムによれば、通常のランキンサイクルにお
ける給水予熱器とボイラとの組み合わせが、蓄熱槽と廃
熱回収ボイラとに代替され、これら代替された蓄熱槽と
廃熱回収ボイラが蒸気タービンへ供給する蒸気を新たに
生産することになる。また廃熱発生時間帯に廃熱を回収
して深夜時間帯に前記蓄熱槽に蓄熱しておき、昼間帯の
利用時に当該蓄熱槽から熱を取り出して前記蒸気タービ
ンに供給することで、夜間の蓄熱サイクルと昼間運転の
ランキンサイクルとにより時間差サイクルを形成し、経
済的なエネルギー・システムを実現する。

「実施例」 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

第１図はこの発明にかかる蒸気タービン型・エネルギー
・システムの基本ブロック図を示している。

この蒸気タービン型・エネルギー・システムは、ボイラ
ｌを付属する熱駆動のヒートポンプ２と、このヒートポ
ンプ２から送られる高温水より蒸気を発生させる蒸気発
生器３と、この蒸気発生器から送られる蒸気を圧縮する
スチームコンプレッサ４と、このスチームコンプレッサ
４で圧縮された蒸気の熱を蓄える蓄熱槽５と、この蓄熱
槽５から熱を取り出す熱交換器６と、廃熱を回収して前
記熱交換器６から送られる蒸気を加熱する廃熱回収ボイ
ラ７と、この廃熱回収ボイラ７から送られる過熱蒸気で
駆動される蒸気タービン８と、この蒸気タービン８を駆
動源として発電を行う発電機９と、蒸気タービン８から
排出される蒸気を冷却する復水器ｌＯと、この復水器ｌ
Ｏからの水を前記熱交換器６に送る給水ポンプ１１とを
備えた構成とされている。そして、前記蒸気タービン８
と発電機９は両者を断続する電磁クラッチ１２を介して
軸１３により連結され、また蒸気タービン８の片側には
電磁クラッチ１２、軸１３を介して冷凍機１４が連結さ
れている。この冷凍機１４は蒸気タービン８を駆動源と
して冷凍出力を発生するようになっている。

さらに、蒸気発生器３から蓄熱槽５までのサイクルは夜
間運転する夜間廃熱回収サイクル１５を形成し、熱交換
器６から給水ポンプ１１までのサイクルは蒸気系１６と
復水系１７とからなり、かつ全体が昼間運転するランキ
ンサイクル１８を形成している。

この蒸気タービン型・エネルギー・システムにおいて、
ボイラｌにはガスタービン廃熱など４００度以上の高温
廃熱を取込むための取込み口１９が設けられ、ヒートポ
ンプ２には発電所の排気熱、変圧器、冷却鵡など２８変
以上の低温廃熱を取込むための取込み口２０か設けられ
、蒸気発生装置３にはエンジン冷却鴫なと７５度以上の
中温廃熱を取込むための取込み口２１か設けられ、廃熱
回収ボイラ７にはエンツノマフラー熱なと４００度以上
の高温廃軌を取込むための取込み口２２か設けられてい
る。

このような基本構造の蒸気ターヒノ型・エネルギー・シ
ステムには、第１実施例として、ガス・タービン複合型
エネルギー・システムがある（第１図参照）。

このガスタービン複合型エネルギー・システムの運転サ
イクルは以下の通りである。

［夜間運転サイクルコ 深夜帯において発電所から２８℃の低温廃熱（排気熱、
冷却熱）Ｑｏが取込み口２０を通してヒートポンプ２に
回収され、これらの低温廃熱はボイラｌの駆動により加
熱エレメント２３で昇温され、さらに取込み口１９から
ボイラｌに回収された４００℃以上の高温廃熱（ガス・
タービン廃熱）Ｑｌとともに加熱エレメント２４で昇温
され、ヒートポンプ２の出口から高温水Ｑ、が蒸気発生
装置３に送られる。なお、このようにヒートポンプ２内
で２段で昇温する場合は低温廃熱は２８℃以下であって
も十分可能である。蒸気発生装置３に送られた高温水Ｑ
、は減圧されて、中温廃熱Ｑ３とともに蒸気発生装置３
内で顕熱と潜熱に分離され、潜熱を含む飽和蒸気Ｑ４か
発生する。この飽和蒸気Ｑ４は上昇してスチームコンプ
レッサ４に送られ、モータ２５駆動によりスチームコン
プレッサ４内で断熱圧縮されて過熱蒸気Ｑ５となる。こ
の過熱蒸気Ｑ５はスチームコンプレッサ４の出口から吐
出され、熱交換器２６で耐熱油と熱交換されて蓄熱槽５
の蓄熱材２７に蓄熱される。熱交換器２６で熱交換され
た後の水または蒸気は蒸気発生装置３内に復水される。

なお、過熱蒸気Ｑ５は熱交換器２６での伝熱効率が悪い
ので、スチームコンプレッサ４の吐出側に水を噴霧して
過熱蒸気を飽、和蒸気に抑える工夫を施す。このように
しで、深夜時間帯においては、スチームコンプレッサ４
、ヒートポンプ２の夜間運転により各廃熱が回収されて
蓄熱槽５に蓄熱されることになる。この場合、深夜電力
は昼間電力の約１／４のコストであるため、きわめて経
済的に蓄熱することができる。

［昼間運転サイクル］ ランキンサイクル１８は、予熱運転を行った後、起動さ
れ、復水系１７の給水ポンプ１１により復水Ｑｌｌが熱
交換器６に送られる。熱交換器６に送られた復水Ｑ６は
蓄熱槽５から耐熱油を介して熱交換器６に取り出される
熱Ｑ７により加熱され、熱交換器６からは飽和蒸気Ｑ８
が廃熱回収ボイラ７に送られる。廃熱回収ボイラ７では
ガスタービン廃熱などの高温廃熱Ｑ９が回収され、前記
飽和蒸気Ｑ６は高温廃熱Ｑ７により昇温され、タービン
入口条件に合った過熱蒸気Ｑ　１ｏとなって蒸気タービ
ン８に送られる。蒸気タービン８に送られた過熱蒸気Ｑ
　１０は蒸気タービン８内で断熱膨張し、蒸気タービン
８を駆動させ、発電機９側の電磁クラッチ１２をつなぐ
ことて軸１３を介して発電機９の軸動力に変換され、発
電か行なわれる。また、冷凍４１！＋４側の電磁クラッ
チ１２をっなくことて軸１３を介して冷凍機１４の冷凍
出力を発生させる。これら発電機９と冷凍機１４は双方
の電磁クラッチ１２を独自に断続することにより、双方
の出力を停止し、あるいは片方のみ運転することができ
る。一方、蒸気タービン８内の過熱蒸気Ｑは復水器ｌＯ
の入口蒸気のエンタルピに変換され、復水器ＪＯ内で冷
却されて復水Ｑ　１１となる。この復水Ｑ　＋＋ｉ′ま
復水系１７の給水ポンプ１１に送られる。これによりラ
ンキノサイクル】８か形成され、昼間帯？二発電あるい
は冷凍出力か行なわれることになる。

本実施例によれば、既設のランキンサイクル１８に夜間
蓄熱サイクルを付加することにより、経済的なエネルギ
ー・ノステムを実現できる。すなわち、未利用エネルギ
である廃熱を回収して深夜帯に蓄熱槽５に蓄熱しておき
、昼間利用時に蓄熱槽５から熱を取り出して蒸気タービ
ン８に蒸気を供給することにより、夜間蓄熱サイクルと
昼間運転サイクルに分けた時間差サイクルを形成するこ
とかでき、安い深夜電力を杓用してコストフリーの廃熱
を蓄熱しておくことて、経済的な発電ノステムを成立さ
せることかできる。

なお、本実施例では、回収した廃熱を蓄熱槽５１こ蓄熱
するよう１こしｊ二か、スチームコツプしッサ４の圧縮
能力か小さい場合には、蓄熱槽５の代わりに過熱蒸気を
蓄積可能な蒸気アキュームレーターを使用してもよく、
蓄熱槽５と同様の蓄熱能力が得られる。また、廃熱を昇
温させる熱駆動のヒトポツプ２もこれに限られるしので
なく、電動ヒートポツプと代えても同様の効果か得られ
る。

ところで、本出願人らは上記のガス・タービン複合型工
不ルキー・ノステムについて性能評価を行ったが、通常
の蒸気ターヒノ発電の発電効率がηｃ＝０．２４３であ
るのに対し、本実施例のガス・タービン複合型エネルギ
ー・システムの発電効率はηｇ＝０．７５９という高い
数値を得ることができた。また発電効率の向上もＮ＝３
．１１という高い数値が得られ、２１１％増の発電量増
加を得ることができた。

このように本実施例によれば、蓄熱槽５から熱量を取り
出すことにより、瞬時取り出し熱量を１００％から約３
００％に増加することが可能であり、ヒートポンプ２と
蒸気タービン８の発電機９の容量選定を大きく選択する
ことにより、電力需要のピーク時間帯には３００％出力
を出すことも可能となる。

また、本出願人らは、経済性についても評価したが、ピ
ーク帯発電量の２００％増加により基本発電コストは２
／３に低下し、ランニングコストは外部からの有料エネ
ルギーが深夜電力のみであることから、発電原価が極め
て安くなることがわかった。また、昼間帯発電における
出力増加の結果、発電の省エネ効果も２００％増である
こと応（わかった。このように本実施例のエネルギー・
システムは、効率の高い極めて経済的なエネルギー・シ
ステムであることが実証された。

第２図は上記ガス・タービン複合型エネルギー・システ
ムを拡大してトータル・エネルギー・システムとした第
２実施例を示している。

本エネルギー・システムの運転サイクルは以下の通りで
ある。

復水器１０からの潜熱は冷却水系３０を通ってヒートポ
ンプ２に回収され、またドレン水槽３１からの顕熱がヒ
ートポンプ２に回収され、ボイラー１を駆動することに
より、ヒートポンプ２から加熱された温水が取り出され
、蓄熱槽３２に温水として蓄熱される。また、ヒートポ
ンプ２から取り出された温水は熱交換器３３を介して温
水利用系に供給される。蓄熱槽３２からはヒートポンプ
２Ａに温水が取り出されてスチーム・コンプレッサー４
で断熱圧縮され、蓄熱槽３４に夜間運転により蓄熱され
る。

そして、ランキンサイクル１８において、昼間運転時に
復水器１０からの顕熱は給水ポンプ１１を通って予熱器
３５で加熱され、さらに蓄熱槽３４で加熱され、廃熱回
収ボイラ７に飽和蒸気として送られる。廃熱回収ボイラ
７にはガス・タービン３６からの高温廃熱が回収され、
この高温廃熱によって加熱された過熱蒸気が蒸気タービ
ン８に供給される。これにより、蒸気タービン８が駆動
され、発電機９あるいは冷凍機１４が作動することにな
る。

この実施例のエネルギー・システムによれば、ガス・タ
ービン３６からの廃熱が廃熱回収ボイラ７に回収され、
復水器１０からの廃熱が回収されて蓄熱槽３４に蓄熱さ
れることになり、これら回収熱を効率的にランキンサイ
クル１８に取り込むことができ、第１実施例のエネルギ
ー・システム同様な効果を奏することができる。

第３図はこの発明の第３実施例を示すもので、エンジン
発電廃熱を利用したエンジン複合型エネルギー・システ
ムの実施例である。

このエンジン複合型エネルギー・システムの運転サイク
ルは以下の通りである。

昼間帯におけるエンジン４０の発電ヰに冷却器４１から
の冷却熱が蓄熱槽４２に回収され、温水として蓄熱され
る。この蓄熱槽４２にはボイラ４３の追たきによっても
蓄熱される。この蓄熱槽４２に蓄えられ１こ熱は夜間帯
に取り出しされ、蒸気発生装置３、スチームコンプレッ
サ４を通して、熱交換器２６から蓄熱槽５に夜間蓄熱さ
れることになる。

一方、昼間利用時には、蓄熱槽５から熱交換器６に熱が
取り出され、この取り出された熱は熱交換器６から廃熱
回収ボイラ７に送られる。廃熱回収ボイラ７ではエンツ
ノマフラー４４からの高温廃熱が回収され、これらの回
収された廃熱は蒸気タービン８に供給され、蒸気タービ
ン８が駆動され、発電機９あるいは冷凍機１４を作動さ
せることになる。

本実施例のエンジン複合型エネルギー・システムによれ
ば、昼間のエンジン４０の発電時に、エンジン４０から
の冷却熱を回収して蓄熱槽４２に蓄熱しておき、この蓄
熱槽４２の熱を夜間蓄熱運転時に取り出して、蓄熱槽５
に蓄熱しておくことができる。そして、昼間利用時には
蓄熱槽４２から熱を取り出して蒸気タービン８に供給し
、その一方でエンジン４０からのマフラー熱を廃熱回収
ボイラ７に回収して、これらの回収熱を蒸気タービン８
に供給することができる。このようにエンジン４０から
のコツトフリーの廃熱をランキンサイクル１８に効率的
に取り込んで、蒸気タービン８に供給し、蒸気タービン
８を効率的に駆動させることができる。

第４図は本発明の第４実施例を示すもので、２４時間運
転の清掃工場などにおける電・熱トータル・エネルギ・
システムのブロック図を示している。

本実施例の運転サイクルは以下の通りである。

清掃工場の運転時に、焼却炉からの廃熱が廃熱回収ボイ
ラ７に回収され、この廃熱回収ボイラ７に回収された廃
熱は夜間出力されたもので、熱交換器５１を介して蓄熱
槽５２．５３に蓄熱される。

そして一方の蓄熱槽５２から昼間に熱が取り出しされ、
この熱は熱交換器６から廃熱回収ボイラ７に送られ、廃
熱回収ボイラ７で回収された焼却炉熱とともに昼間出力
されて、蒸気タービン８に供給され、蒸気タービン８を
駆動して、発電機９または冷凍機１４を作動させる。な
お他方の蓄熱槽５３からは昼間に熱交換器５４を介して
ヒートポンプ２の駆動熱が取り出しされ、熱交換器５５
を介して給湯や暖房の温水利用系に供給されるようにな
っている。

この実施例における電・熱トータル・エネルギー・シス
テムによれば、通常の清掃工場の発電出力に比較して大
幅増の昼間電力を出力させることができる。また、復水
器ＩＯの入口蒸気の潜熱を１００％回収しているので、
電・熱トータル・エネルギー効率を高いものとすること
ができる。さらには清掃工場からの高いエクセルキーを
有する焼却炉熱を回収するため、電・熱トータル・エネ
ルギーの生産コストを大幅に低減できる。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、本発明に係る廃熱を利用し
た蒸気タービン型・エネルギー・システムによれば、廃
熱回収ボイラで回収した廃熱と蓄熱槽から取り出した熱
とをランキンサイクルに取り込み、これらの熱を蒸気タ
ービンに駆動源として供給するようにしたから、通常の
発電システムなどに比較して大幅な出力増を可能とする
ことができる。また発電や冷凍出力に必要なエネルギの
生産コストを大幅に低下させることができるから、極め
て経済的なエネルギー・システムを実現することができ
る。しかも、廃熱はコストフリーであるとともに、蓄熱
槽への蓄熱は安価な深夜電力で可能であるから、発電原
価の低下を図り、ランニングコストの低下および省エネ
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気タービン型エネルギー・システムのブロッ
ク図、第２図はガスタービン複合型エネルギー・システ
ムのトータル・エネルギー・システムのブロック図、第
３図はエンジン複合型エネルギー・システムのブロック
図、第４図は清掃工場における電・熱トータル・エネル
ギー・システムのブロック図である。 １・・・・・・ボイラ、２・・・・・・ヒートポツプ、
３・・・・・・蒸気発生装置、 ４・・・・・・スチームコンプレッサ、５・・・・・・
蓄熱槽、６・・・・・・熱交換器、７・・・・・・廃熱
回収ボイラ、 ８・・・・・・蒸気タービン、９・・・・・・発電機、
１０・・・・・・復水器、１１・・・・・・給水ポツプ
、１４・・・・・・冷凍機。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）廃熱を蒸気タービンのエネルギ源に利用するエネ
   ルギー・システムにおいて、ボイラを付属する熱駆動の
   ヒートポンプと、このヒートポンプから送られる高温水
   より蒸気を発生させる蒸気発生器と、この蒸気発生器か
   ら送られる蒸気を圧縮するコンプレッサと、このコンプ
   レッサで圧縮された蒸気の熱を蓄える蓄熱槽と、この蓄
   熱槽から熱を取り出す熱交換器と、廃熱を回収して前記
   熱交換器から送られる蒸気を加熱する廃熱回収ボイラと
   、この廃熱回収ボイラから送られる過熱蒸気で駆動され
   る蒸気タービンと、この蒸気タービンを駆動源として発
   電を行う発電機と、蒸気タービンから排出される蒸気を
   冷却する復水器と、復水器から水を前記熱交換器に送る
   給水ポンプとを備えたことを特徴とする廃熱を利用した
   蒸気タービン型・エネルギー・システム。
2. （２）廃熱を蒸気タービンのエネルギ源に利用するエネ
   ルギー・システムにおいて、ボイラを付属する熱駆動の
   ヒートポンプと、このヒートポンプから送られる高温水
   より蒸気を発生させる蒸気発生器と、この蒸気発生器か
   ら送られる蒸気を圧縮するコンプレッサと、このコンプ
   レッサで圧縮された蒸気の熱を蓄える蓄熱槽と、この蓄
   熱槽から熱を取り出す熱交換器と、廃熱を回収して前記
   熱交換器から送られる蒸気を加熱する廃熱回収ボイラと
   、この廃熱回収ボイラから送られる過熱蒸気で駆動され
   る蒸気タービンと、この蒸気タービンを駆動源として冷
   凍出力を発生する冷凍機と、蒸気タービンから排出され
   る蒸気を冷却する復水器と、復水器から水を前記熱交換
   器に送る給水ポンプとを備えたことを特徴とする廃熱を
   利用した蒸気タービン型・エネルギー・システム。
3. （３）前記ボイラには高温廃熱の取込み口が、前記ヒー
   トポンプには低温廃熱の取込み口が、前記蒸気発生装置
   には中温廃熱の取込み口が、前記廃熱回収ボイラには高
   温廃熱の取込み口がそれぞれ設けられていることを特徴
   とする請求項１記載または請求項２記載の廃熱を利用し
   た蒸気タービン型・エネルギー・システム。
4. （４）廃熱を回収して深夜帯に前記蓄熱槽に蓄熱してお
   き、昼間帯の発電時に当該蓄熱槽から熱を取り出して前
   記蒸気タービンに供給するようにしたことを特徴とする
   請求項１記載または請求項２記載の廃熱を利用した蒸気
   タービン型・エネルギー・システム。
5. （５）前記蓄熱槽を蒸気アキュムレーターと代えたこと
   を特徴とする請求項１記載または請求項２記載の廃熱を
   利用したエネルギー・システム。
6. （６）前記熱駆動のヒートポンプを電動ヒートポンプと
   代えたことを特徴とする請求項１記載または請求項２記
   載の廃熱を利用した蒸気タービン型・エネルギー・シス
   テム。