JPH10501600A - 太陽エネルギーを統合した火力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 太陽熱収集装置とヘリオスタット技術によって収集した太陽エネルギーを、既存の火力発電機がガスタービンを有するか否かに拘らず、該発電器に統合することを目的とし、この目的達成のために、ソーラーボイラーにより生成された蒸気を蒸気タービンの状況に合うように調整して統合するが、これにはガスタービンの排気ガスが用いられ、また該統合は発電装置のボイラーの内または外で行われる。統合の第１の方法としては、ソーラーボイラーの蒸気を主ボイラーの過熱器に送り込み、対流伝熱部分及び/または送風タンク内の排気ガスと混合する方法であり、また第２の方法としては、同様にソーラーボイラー内で生成された蒸気に、送風タンクに送り込む前の排熱回収ボイラーを通過する排気ガスと混合する。

Description

【発明の詳細な説明】 太陽エネルギーを統合した火力発電装置 発明の目的 本発明は、従来の火力発電機に太陽エネルギーを統合することによって、従来の 発電機の出力を増加させて燃料の消費を減少させ、結果的に環境汚染を減少させ ることを目的とするものである。 本発明は基本的に、既存の火力発電機を改良して、ヘリオスタット技術や太陽熱 収集装置によって収集した太陽エネルギーを統合するもので、この目的のために ガスタービンを使用する。 発明の背景 現在熱エネルギーを使用して発電する装置はいくつかある。これらの装置はすべ て、太陽光線を集中させて蒸気を発生させるが、その方法は直接蒸気を発生させ るか、あるいは、太陽エネルギーによって熱せられた後その熱エネルギーを水に 移動させる液体を介在させて水蒸気を発生させるものである。 このような方法で生成された水蒸気は飽和状態となり、蒸気タービン内で膨張し て電力を発生させる。 熱力学上の理由およびタービンの効率の理由から、蒸気タービンに流入する蒸気 を過熱すると、熱エネルギーから電力への変換出力が増加する。この蒸気の過熱 に太陽エネルギーまたは石油系燃料によるエネルギーを使用することができる。 この点に関し、ボイラー内で燃料を燃焼させる方法か、あるいはガスタービンの 燃焼室内で燃料を燃焼させる方法の違いによって基本的に設備の構成が異なって くる。 前者の場合は、ボイラーを使用して太陽エネルギー装置によって生成された蒸気 を過熱し、あるいは太陽の放射エネルギーのレベルが低い状況で稼働するときに は、このボイラーを太陽エネルギー装置と平行して使用して前述の太陽エネルギ ー装置の機能を補完する。この方式の主な問題点は、設置する発電装置１機あた りのコストが高く、その結果、他の発電手段と比較した場合に競争力が劣ること である。 第２の方式は、装置の構成は通常コンバインドサイクル発電装置と同様である。 コンバインドサイクル発電装置では、ガスタービンの排気は排熱回収ボイラーを 通過してここで過熱水蒸気が生成される。太陽エネルギーによる熱は、排熱回収 ボイラー内で行われるプロセス、すなわち水の加熱、蒸気の生成、過熱に使用さ れる。その結果、過熱水蒸気が増加して、そのため蒸気タービンによって生成さ れる電力が増加する。この方法では、前述のボイラー装置と比較して発電装置あ たりの発電コストが大幅に減少するが、次のような欠点がある。 − コンバインドサイクル発電装置の建設が必要であり、多額の投資が必要であ る。 − 太陽エネルギーによる熱効率は石油系燃料のエネルギーによる熱効率に比べ て非常に少ない(5%から20%)。 − 蒸気タービンが稼働する状況の変動が大きく、効率低下の原因となる。 − 蒸気回収ボイラー、ガスタービン、および復水器など、コンバインドサイク ル発電機を構成する複数の装置を設計しなければならない。 本発明の説明 本発明が開示するエネルギー統合装置は、前述の問題を解決すべく設計され、石 油系燃料によるエネルギーと太陽エネルギーを総合的に統合することができるも のである。 太陽エネルギーを繰り返し統合するのはボイラー内でもボイラー外でもよいが、 ソーラーボイラー内で生成された水蒸気に蒸気タービンで必要とされる条件を充 足させるために、つねにガスタービンの補助を必要とする。 第１の場合は、太陽熱収集装置で生成された蒸気は、ボイラー内に送り込まれて ボイラードラムで生成された蒸気と混合され、ボイラー内で蒸気タービンで必要 な温度にまで過熱される。 ソーラーボイラーへの注水量はそのときの太陽エネルギーの量によって決定され るので、夜間や太陽光がないときは水は流れず、太陽エネルギーが最大になると 水の量も最大になる。いずれの場合も効率を向上させるために、中央ボイラーの 節炭器の出口で水を抽出し、抽出された水は太陽熱収集装置にポンプで送り込ま れる。 前述の方式は現在の状況ではボイラーの不均衡の原因となる。即ち、過熱器や再 加熱器は同等のエネルギーを必要とするのに対して、エバポレータで必要とする エネルギーはそれ以下である。エバポレータでは燃料供給を削減することによっ てこれに対処している。 この問題を解決するため、あるいは同等の結果を得るため、ボイラー内で太陽エ ネルギーを統合できるようにして、ガスタービンを用い、該ガスタービンの排気 を火力発電機のボイラー内に送り込む。その結果、ボイラーの均衡を維持するこ とができるため、太陽熱部や石油系燃料部ではできないプロセスを実施すること ができる。 ガスタービンを発電機のボイラーに組み込むときは、次に示す２種類の方法で行 うことができる。 先ず、ガスタービンの排気を直接ボイラーの対流伝熱部に送り込む方法である。 太陽熱が指定量未満の場合は、ソーラーボイラーで生成される蒸気も少なくなる ため、蒸気を過熱、再加熱するのに必要な熱も少なくなる。このような稼働状況 ではガスタービンの排気の一部は従来のボイラーの送風タンクに送られ、燃焼用 空気の一部と交換される。排気を用いることにより燃料の節約となる。 従来のボイラーの送風タンクに送られる排気の量は、ボイラーの対流伝熱部で必 要とされる熱エネルギーによって決定される。夜間や太陽光の少ない日中には、 排気はすべてボイラーの送風タンクに送られる。 第２は、ガスタービンの排気を従来のボイラーの送風タンクに直接送り込む方法 で、当該ガスの燃焼エネルギーはボイラー内部に分配される。 第２の方法の結果は理論的にも実践上も第１の方法と同じであるが、第２の方法 ではガス分配装置を必要としないという利点がある。温度と圧力を考慮するとガ ス分配装置を開発することは適当ではない。 送風タンク内に排気を送り込む構造（現在稼働中の工場もある）によって、過熱 器部分や再加熱器部内のボイラーガスの温度を上昇させることができる。太陽熱 収集装置内で蒸発の一部を行えばこの効果は増幅され、太陽熱による蒸気を過熱 する一助となる。したがって、太陽熱の量が変化してもボイラー内の各部にエネ ルギーを適切に分配できる。 ボイラー外で太陽熱を統合する場合は、排熱回収ボイラーを追加する。排熱回収 ボイラーにソーラーボイラーの蒸気とガスタービンの排気の両方を送り込み、こ の排熱回収ボイラー内で水蒸気を蒸気タービンで必要とされる温度に達するまで 過熱する。 次に、前述の過熱された蒸気は主ボイラーの過熱器によって過熱された蒸気と混 合される。一方、この新規ボイラーにより排出されたガスタービンの排気は主ボ イラーの送風タンクに送り込まれる。この装置は、発電機に関する特別の条件及 び/または太陽熱利用発電に関する条件のために、主ボイラー内のすべての蒸気 を過熱することができない場合に、発電機を調整するために必要とされる。 発電機のボイラーの燃焼用空気をガスタービンの排気と交換することによって、 現在ボイラーの出口に装着されている空気加熱装置が余分となる。その場所には 、第５ボイラー用給水ヒーターおよび第６ボイラー用給水ヒーターと並列に、一 部の高圧節炭器を設置して給水の一部を行い、また第２復水ヒーターおよび第３ 復水ヒーターと並列に低圧節炭器を設置する。各節炭器に送られる水の量は、燃 焼用ガスが放出する熱エネルギーの利用が最大になるように調整される。 これらの節炭器内で水を加熱すると蒸気タービン出口の蒸気の量が減少する。こ の結果、タービンに供給する蒸気を削減して蒸気タービンの負荷が過剰になるこ とを回避することが必要となる。蒸気タービンの負荷が過剰になることは該ター ビンの電力出力が減少することを意味する。 図面の説明 上記の説明を補足し、本発明の特徴をより容易に理解可能にするために、本明細 書の一部を構成するものとして図面一式を添付する。 図面１は、ソーラーボイラーを備え、ガスタービンの排気を主ボイラーの送風タ ンクに送り込む機構を備えた火力発電機の説明図である。 図面２はボイラーの外で太陽熱を統合する装置の説明図である。 発明の好ましい実施方法 本明細書の説明の部分で説明したように、ガスタービンは太陽エネルギーと石油 によるエネルギーとを統合するための構成要件である。したがって、通常は発電 機にガスタービンが設置されていない場合が多いが、その場合は本発明の条件を 適切に充足するためにガスタービンが設置されることを必要とする。 図１に示す発電装置では、ボイラー内で太陽エネルギーを石油燃料によるエネル ギーと統合し、太陽エネルギー装置(1)とソーラーボイラー(2)、入り口(9)を経 由して発電機のボイラー(4)の節炭器(3)から熱水を供給する。 ボイラー(2)に送られる水はおおむね272°C以上あるが、ここで318°Cにまで熱 せられて、入り口(10)を経由して過熱器部分(11)に送られ、過熱器部分でボイラ ー(4)内で生成された残留蒸気とともに538°C、101バールまで過熱され、蒸気タ ービン(12)で使用できる状態になる。 一方、ガスタービン(13)はダクト(14)経由で送風タンク(15)に排気を送り込む。 もう一つの方法は、発電機の条件と太陽熱利用発電分野に関係する条件のために 、主ボイラー内ですべての蒸気を過熱することができない場合に、太陽熱をボイ ラーの外側で統合する方法である。 この場合は、新規ボイラーまたは排熱回収ボイラー(19)を設置する。排熱回収ボ イラーでは、太陽熱によって生成され、ダクト(20)を経由して供給される蒸気が 、ガスタービン(13)の排気(14)によるエネルギーによって、蒸気タービン(12)で 必要とされる温度まで過熱され、ダクト(21)を経由して蒸気タービンに送られ、 ここで主ボイラーで生成された蒸気と混合される。 第１の方式と同様に、排熱回収ボイラー(19)出口のガスタービン(13)の排気(14) は送風タンク(15)に送られる。 いずれの場合もボイラー(4)内で行われる燃焼の結果、ボイラー(4)内の温度が変 動し、排気の温度(16)も変動する。この排気の温度変動はボイラー(4)に給水す る第５ボイラー用給水ヒーター(5)および第６ボイラー用給水ヒーター(6)と並列 に設置された高圧節炭器(17)によって利用され、排気の温度を200°Cから230°C に昇温することが可能である。それでも節炭器(17)の排気温度は147°C近辺にな る傾向があるので、第２復水器(7)および第３復水器(8)と並列に、低圧節炭器(1 8)を新たに設置する。 太陽熱を利用する発電装置の効率が高レベルであることを分析するために、現在 フエルバ（スペイン）で稼働中の発電機の効率データと、ボイラー内で太陽熱を 統合する第２方式の発電装置の効率データを以下で比較する。 現在稼働中の発電機 ボイラーの燃料：石油製品、ガス、石炭 中間で過熱する蒸気サイクル 交流発電機端子の電力： 68.4MW（メガワット） 燃料の熱エネルギー o/PCI： 178.6MWt 総電気効率 o/PCI： 38.3％ ボイラー内で生成される蒸気： 60.5kg/s 110バール 蒸気タービン入り口の蒸気： 60kg/s 101バール 538°C 日照時における稼働の場合 以前に行った計算によれば主なサイクルパラメーターは以下のとおりである。 蒸気タービンの電力： 59.4MW ガスタービンの電力： 23.7MW ボイラーの燃料消費 o/PCI： 104.9MWt ガスタービンの燃料消費： 70.0MWt 総効率 o/PCI： 47.3% ガスタービン排気量： 78.5kg/s 排気温度： 540°C 蒸気タービン入り口の蒸気： 45.28kg/s ソーラーボイラー内で生成される蒸気： 13.9kg/s ソーラーボイラー内の液体に吸収される熱エネルギー： 21MWt 太陽光線のないときに稼働する場合 上記条件における主なサイクルパラメーターは以下のとおりである。 蒸気タービンの電力： 59.4MW ガスタービンの電力： 23.7MW ボイラーの燃料消費 o/PCI： 127MWt ガスタービンの燃料消費： 70.0MWt 総効率 o/PCI： 41.9% ガスタービン排気量： 78.5kg/s 排気温度： 540°C 蒸気タービン入り口の蒸気： 45.28kg/s ソーラーボイラー内で生成される蒸気： 0kg/s 当該分野の当業者であれば本発明の範囲およびそこから導かれる利点を理解し、 またこれを実施するために上述の説明で十分であると考えられるので、これ以上 の説明は必要ないと考える。 また、本発明の本質的な性質を変更しない限り、素材、形状、サイズおよび各要 素の配置を変更することができる。 なお、本説明の際に用いた用語およびそれらの意味は、いずれの場合も限定的な 意味で用いられているものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１ 従来の火力発電機に太陽エネルギーを統合する装置であって、太陽熱と通常のエ ネルギーを併せて使用でき、また既存の発電装置のガスタービンの有無に関係な く、該発電装置で使用することができ、太陽熱の統合を主ボイラー(4)の内また は外で行うことを基本的な特徴とし、つねにガスタービン(13)の排気を使用して ソーラーボイラー(2)の蒸気を蒸気タービン(12)が必要とする状態にして、第１ の方法としては前述の排気(14)をつねに且つ同時にボイラー(4)の通常の部位と 送風タンク(15)内に送り込み、またより有効な方法としては前記排気を前述の送 風タンク(15)のみに送り込み、一方ボイラーの外で統合する場合は、前述の排気 (14)を最初に排熱回収ボイラー(19)に、次に送風タンクに送り込み、ソーラーボ イラー(2)内で生成された蒸気を、第１の場合は過熱器(11)の前でボイラー(4)の 蒸気と混合させ、また第２の場合は前記排気を排熱回収ボイラー(19)通過後過熱 器の出口でボイラー(4)の蒸気と混合させる太陽エネルギーを統合した火力発電 装置。 請求項２ ソーラーボイラー(2)に送り込まれる水が、主ボイラー(4)の節炭器(3)から送ら れることを特徴とする、請求項１に記載の太陽エネルギーを統合した火力発電装 置。