JP2007205169A - エネルギー供給システム及びエネルギー供給方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させるとともに、熱利用施設の空気処理系を簡素化したエネルギー供給システム及びエネルギー供給方法を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービン及び外部から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、蒸気タービン及び熱交換器から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、熱利用施設で使用された空気をガスタービンに供給する吸気系統を備えることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービン及び外部から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、蒸気タービン及び熱交換器から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、熱利用施設で使用された空気をガスタービンに供給する吸気系統を備えることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、エネルギー供給システム及びエネルギー供給方法に関する。
システムのエネルギー効率の向上を狙ったものの1つとして、コジェネレーションシステムにヒートポンプを利用したものがある(特許文献1参照)。ヒートポンプは大気の熱や廃熱等を取り込むものであり、特許文献1の技術では、ヒートポンプで生成した温水や冷水を熱利用施設内の洗浄水や冷却水等としてそれぞれ利用している。そして、熱利用施設には自動車ボディの塗膜を乾燥させる塗装用乾燥炉がある(特許文献2参照)。
しかしながら、熱利用施設に熱エネルギーを供給する場合、温水や冷水を熱媒体としても媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を十分に確保することは難しい。そのため、特許文献1の技術を適用し、ヒートポンプを利用して得た温水や冷水を熱媒体として熱利用施設に供給しても、エネルギー供給システムの設置場所が熱利用施設に近い範囲に限定されてしまう。また、高温空気を用いて脱水や乾燥を行う熱利用施設では、対象物に異物が付着することを防止するため、使用する高温空気を清浄化する必要や、環境保護のために使用後の空気に含まれる揮発性有機化合物等を除去する必要がある。
そこで本発明では、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させるとともに、熱利用施設の空気処理系を簡素化したエネルギー供給システム及びエネルギー供給方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービン及び外部から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、蒸気タービン及び熱交換器から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、熱利用施設で使用された空気をガスタービンに供給する吸気系統を備えることを特徴とする。
本発明によれば、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させるとともに、熱利用施設の空気処理系を簡素化したエネルギー供給システム及びエネルギー供給方法を提供することができる。
以下、図面を用いて本発明を適用するエネルギー供給システム及びエネルギー供給方法の実施例について説明する。
図1は実施例1に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。図示するように、本システムは、燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機であるガスタービン10と、ガスタービン10から排出される燃焼ガス(排出ガス)を加熱源とするボイラ(排熱回収ボイラ)30と、ボイラ30からの蒸気で駆動するヒートポンプ50と、ヒートポンプを駆動する蒸気タービン51で膨張仕事をした蒸気およびヒートポンプ50で生成した蒸気を熱利用施設1に供給する蒸気供給系統70とを備えている。
次に各機器の構成について説明すると、ガスタービン10は、大気Aを吸い込んで圧縮する圧縮機11,圧縮機11からの圧縮空気とともに燃料Bを燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生じさせる燃焼器12,燃焼器12からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービン13を備えている。本実施例では、圧縮機11と同軸上に発電機14が連結してあり、タービン13で得られた回転動力は発電機14で電気エネルギーに変換され、熱利用施設1または他の施設で利用することが可能である。但し、ガスタービン10には、発電機に限らず、ポンプ等といった他の負荷機器が連結される場合もある。
ボイラ30は、ガスタービン10から排出された燃焼ガス(排出ガス)により熱媒体を加熱して蒸気を生成する。ボイラ30から排出される排出ガスは煙突43を通じて外部に排出される。
ボイラ30には、燃焼ガスの流れ方向下流側から大きく分類して、低圧側熱交換器31と高圧側熱交換器34が備えられている。ボイラ30では、これらの熱交換器によってガスタービン10からの排出ガスに含まれる熱エネルギーを回収し、圧送ポンプ35によって供給された熱媒体Dを加熱する。なお、本実施例の熱媒体Dとして水を用いることができる。
圧送ポンプ35によりボイラ30に導かれた熱媒体Dは、低圧側熱交換器31,高圧側熱交換器34の順に流通する。低圧側熱交換器31の熱媒体の流れ方向下流側(即ち、ボイラ30内の燃焼ガス流れ方向から見た場合には、低圧側熱交換器31の上流側)には、分岐36を介して分岐した配管37及び38を接続する。配管37は高圧ポンプ39を介して高圧側熱交換器34に接続し、配管38はヒートポンプ50に接続している。また、高圧側熱交換器34とヒートポンプ50との間は、蒸気配管42を介して接続している。
ヒートポンプ50は、蒸気配管42を介して供給されるボイラ30からの熱媒体(蒸気)で駆動する蒸気タービン51と、それぞれ蒸気タービン51と同軸上に連結された二相流膨張タービン52及び圧縮機53と、配管38を介してボイラ30から供給される熱媒体を外部の熱(熱利用施設1の排水や大気等)を利用して加熱する熱交換器(蒸発器)54とを有する。
低圧側熱交換器31からの配管38は、二相流膨張タービン52に接続している。二相流膨張タービン52は熱交換器54を介して圧縮機53に接続している。ここで、熱交換器54内には、熱利用施設1等の排水や大気等を通す配管83が設けられている。
蒸気供給系統70は、ヒートポンプ50からの蒸気を熱利用施設1に適宜供給するための配管系統である。本実施例において、蒸気供給系統70は、蒸気タービン51の出口と蒸気タービン51及び圧縮機53からの蒸気を合流させる点までを接続した配管71,圧縮機53の出口と蒸気タービン51及び圧縮機53からの蒸気を合流させる点までを接続した配管72,配管71,72の下流側に接続した合流器73,合流器73と熱利用施設1を接続する配管74を有している。本実施例において、蒸気タービン51で膨張仕事をした蒸気、圧縮機53により圧縮された蒸気は、それぞれ配管71,72を流通し、合流器73で合流して混合され熱利用施設1に供給される。
熱利用施設1は、吸気フィルター2,熱交換器3,乾燥室4を有する。前述の圧縮機
11によって吸引される大気Aは、吸気フィルター2によって異物が除去された後、熱交換器3において蒸気供給系統70から供給される蒸気と熱交換され高温空気5となる。続いて乾燥室4内で対象物6を乾燥した後、吸気系統7を介して圧縮機11に吸い込まれる。なお、熱利用施設1において、蒸気供給系統70から供給される蒸気を対象物6に直接吹き付けることも可能である。この場合も、対象物6を乾燥後の蒸気は吸気系統7を介して圧縮機11に供給される。
11によって吸引される大気Aは、吸気フィルター2によって異物が除去された後、熱交換器3において蒸気供給系統70から供給される蒸気と熱交換され高温空気5となる。続いて乾燥室4内で対象物6を乾燥した後、吸気系統7を介して圧縮機11に吸い込まれる。なお、熱利用施設1において、蒸気供給系統70から供給される蒸気を対象物6に直接吹き付けることも可能である。この場合も、対象物6を乾燥後の蒸気は吸気系統7を介して圧縮機11に供給される。
次に本実施例におけるエネルギー供給システムの動作を説明する。なお、以下では熱媒体Dが水の場合について説明する。大気Aが熱利用施設1および吸気系統7を介して圧縮機11に吸い込まれると、圧縮機11によって圧縮されて設定圧力(例えば0.8[MPa]) 程度に加圧される。圧縮機11に吸い込まれた空気は、加圧されることで設定温度
(例えば260[℃]程度)まで加熱される。圧縮機11からの圧縮空気は、燃料Bと共に燃焼器12で燃焼され、これにより高温・高圧の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスがタービン13に供給されると、燃焼ガスによりタービン13の回転動力が得られ、回転動力が発電機14に伝達されて電気エネルギーが得られる。
(例えば260[℃]程度)まで加熱される。圧縮機11からの圧縮空気は、燃料Bと共に燃焼器12で燃焼され、これにより高温・高圧の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスがタービン13に供給されると、燃焼ガスによりタービン13の回転動力が得られ、回転動力が発電機14に伝達されて電気エネルギーが得られる。
ボイラ30には、タービン13から排出された燃焼ガス(排出ガス)が熱源として供給される。ボイラ30に供給される燃焼ガスは、タービン13の出口付近では高温(例えば640[℃]程度)であるが、煙突43から排出されるまでに高圧側熱交換器34,低圧側熱交換器31を通過する際、圧送ポンプ35により供給された熱媒体Dと順次熱交換し温度が低下する。
熱媒体Dである水は、まず圧送ポンプ35で設定圧力(例えば0.6 [MPa]程度)に加圧される。その後、低圧側熱交換器31に供給されて設定温度(例えば120[℃]程度)に昇温した高温水の熱媒体は、低圧側熱交換器31の圧力損失で所定圧力(例えば0.5 [MPa]程度)に圧力を下げ、分岐36を介して配管37,38に分流する。
配管37に導かれた熱媒体は、高圧ポンプ39で設定圧力(例えば7.4 [MPa]程度)に加圧され、更に加熱されて蒸気に相変化する。高圧側熱交換器34で設定の温度及び圧力(例えば500[℃]程度,7.0 [MPa]程度)に昇温昇圧され過熱蒸気となった熱媒体は、ヒートポンプ50の動力源である蒸気タービン51に供給される。
高圧側熱交換器34を出た設定圧力(例えば7.0 [MPa]程度)の熱媒体(過熱蒸気)は蒸気タービン51を駆動し、熱利用施設1で熱源として用いられる際の設定圧力
(例えば0.4 [MPa]程度)まで減圧される。蒸気タービン51で得られた回転動力は、二相流膨張タービン52及び圧縮機53に伝達されそれらを駆動する。
(例えば0.4 [MPa]程度)まで減圧される。蒸気タービン51で得られた回転動力は、二相流膨張タービン52及び圧縮機53に伝達されそれらを駆動する。
一方、低圧側熱交換器31を出た熱媒体は、飽和蒸気に近い120[℃],0.5
[MPa]程度の高温水であり、その熱媒体が二相流膨張タービン52によって0.02 [MPa],60[℃]程度まで減圧される。熱交換器54に供給される熱媒体は、二相流膨張タービン52での膨張過程で所定割合が蒸発し二相流をなしている。そして、蒸気相と分離した液相は配管83を流れる60〜80[℃]程度の工場排熱により加熱されて蒸発する。
[MPa]程度の高温水であり、その熱媒体が二相流膨張タービン52によって0.02 [MPa],60[℃]程度まで減圧される。熱交換器54に供給される熱媒体は、二相流膨張タービン52での膨張過程で所定割合が蒸発し二相流をなしている。そして、蒸気相と分離した液相は配管83を流れる60〜80[℃]程度の工場排熱により加熱されて蒸発する。
熱交換器54を出た蒸気は、圧縮機53によって(例えば0.4 [MPa]程度まで)加圧され熱源として熱利用施設1に供給される。
蒸気タービン51から排出された蒸気と圧縮機53から排出された蒸気は、それぞれ配管71,72を流通し合流器73で混合された後、配管74を介して140[℃]程度の蒸気として熱利用施設1に供給され大気Aの加熱源として利用される。そして、熱利用施設1内で熱を放出して凝縮した熱媒体(例えば60[℃]程度)は熱利用施設1から排出される(図1中のE)。
一方、大気Aは、前述の圧縮機11によって吸引される過程で、吸気フィルター2によって異物が除去された後、熱交換器3において蒸気供給系統70によって供給される蒸気と熱交換され高温空気5となる。続いて乾燥室4内で対象物6を乾燥した後、吸気系統7を介して圧縮機11に吸い込まれる。このとき乾燥室4内で対象物6から蒸発した揮発性有機化合物等が空気中に混合し、共に圧縮機11に吸い込まれる。この揮発性有機化合物は燃焼器内で高温(例えば1200[℃]程度)の燃焼ガスによって酸化され、二酸化炭素(CO2)や水蒸気(H2O)等の無害な物質に浄化される。
次に本実施例における作用効果について説明する。
本実施例では、空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン10と、ガスタービン10から排出した燃焼ガスにより熱媒体Dを加熱して蒸気を生成するボイラ30と、ボイラ30からの蒸気により駆動する蒸気タービン51及び外部から得られる熱により熱媒体Dを加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器54を有するヒートポンプ50と、蒸気タービン51及び熱交換器54から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設1に供給する蒸気供給系統70と、蒸気供給系統70から供給された蒸気によって対象物6である対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設1と、熱利用施設1で使用された空気をガスタービン10に供給する吸気系統7とを備えている。
このように、ボイラ30からの蒸気により駆動する蒸気タービン51及び外部から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器54を有するヒートポンプ50と、蒸気タービン51及び熱交換器54から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設1に供給する蒸気供給系統70とを備えることにより、熱媒体を液体の状態のまま供給する場合に比べ、媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上させることができる。したがって、熱媒体内の熱を輸送する動力が小さくできるため、本システムの設置場所は熱利用施設1に近い範囲に限定されることもなく、幅広い適用が可能となる。また、熱利用施設1に供給する蒸気の生成にヒートポンプ50を利用することにより、ボイラ30の熱エネルギー、即ちガスタービン10に供給する燃料エネルギーに加えて、利用されることなく放出される熱利用施設1の排熱や無限に存在する周囲環境の熱エネルギーを系内に取り込むことができ、エネルギー効率も飛躍的に向上させることができる。
ここで、ヒートポンプ50の性能を示すエネルギー消費効率(COP)は、圧縮機53でヒートポンプ50に与えられる動力と熱交換器54で生成する蒸気に与えられる熱量との比で定義される。COP値をパラメータとして、燃焼器12に供給された燃料のエネルギーを分母とし、発電機14の発電量と熱利用施設1に供給される熱量の合計を分子とすると、システム各所の熱媒体や排出ガス温度が先に挙げたような挙動を示す場合、COP値が1.7 を超えるとシステムの総合効率は100%を超え、COP値を5まで向上させると128%になる。これは、燃焼器12に投入される燃料のエネルギーとは別に、熱交換器54で外部から熱エネルギーを取り込んでいる効果である。また、ボイラ30で圧送ポンプ35と高圧ポンプ39で用いる動力も熱媒体の加熱に寄与している。
一般的なコジェネレーションシステムの総合効率は80%程度であるが、それに比較して本実施例のシステム総合効率は極めて高く、COP値を4程度まで向上し、総合効率を125%まで高めることができる。計算上、総合効率80%のシステムに対して本システムでは地球温暖化に影響するCO2 の発生量を36%程度も削減することが可能である。本システムにおける熱的損失は、ボイラ30から大気放出される排出ガスCと圧縮機11に吸い込まれる大気Aとの温度差分の熱量である。したがって、この熱損失よりも大きな熱量を熱交換器54で外部から取り込めば本システムの総合効率は100%を超える。
また、本実施の形態では、蒸気タービン51で得られた動力を電力に変換することなく、全てヒートポンプ50の圧縮機53や二相流膨張タービン52の駆動力に用いるので、ヒートポンプ50において電力変換に伴う損失もない。更に、蒸気タービン51を駆動した後の蒸気とヒートポンプ50で生成した蒸気とを混合し共通の配管74で熱利用施設1に輸送することで、無駄なくより多くの熱媒体を熱利用施設1に供給することができる。これらの点も本システムの大きなメリットである。
本実施例では更に、上記のような高効率エネルギー供給システムと、高温空気を用いて脱水や乾燥を行う熱利用施設とを組み合わせることにより、熱利用施設の空気処理系を簡素化できる。熱利用施設1では対象物6に異物が付着することを防止するために、使用する高温空気を清浄化する吸気フィルター2を必要とする。一方、原動機であるガスタービン10にも圧縮機11に異物が吸引され翼やケーシングが損傷することを防止するためフィルターが取り付けられている。そのため、熱利用施設1に備えられた吸気フィルター2により浄化された空気を用いて乾燥室4で対象物6を脱水・乾燥させ、対象物6を乾燥後の空気をガスタービン10に供給する吸気系統7とを備えたことにより、吸気フィルターを共通化し熱利用施設の空気処理系を簡素化することができる。
また、熱利用施設1においては、環境保護のために対象物6を乾燥した後の空気に含まれる揮発性有機化合物等を除去する必要があり、通常は燃焼炉や触媒による分解装置を設置して対応している。しかし、本実施例のように、熱利用施設1で使用された空気をガスタービン10に供給する吸気系統7を備えることで、揮発性有機化合物等を含む空気をガスタービン10の燃焼器12で燃焼処理することができ、熱利用施設1に分解装置を設置しなくても排気の浄化が可能となる。
図2は本実施例に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、図1と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。図2に示したように、本実施例が実施例1と相違する点は、吸気系統7に吸気冷却装置8を設けたことにある。
大気Aは熱交換器3によって高温となっているため密度が小さくなっている。そのため、ガスタービン10の圧縮機11にそのまま吸引されると、ガスタービン作動空気の減少により発電機14の電気出力が小さくなる。即ち、必要なガスタービン出力に対して、設置されるガスタービンが相対的に大型化する。また、大気Aの高温化により圧縮機11の圧縮動力が増加するため、ガスタービン10の効率が低下してしまう。
そこで本実施例においては、吸気系統7において吸引する大気Aを冷却する吸気冷却装置8を備えることで、ガスタービン出力と効率の維持が達成できる。吸気冷却装置8は熱交換器を用いて大気や河川水,海水等の冷媒により吸気を冷却することも考えられる。また、図2に示すように、供給系統8a,高圧ポンプ8b,噴霧装置8cにより吸気冷却装置8を構成し、空気中で熱媒体を蒸発させ熱媒体の蒸発熱を利用することで、熱交換器が無いコンパクトな構造にすることができる。
その他の構成については、前述した実施例1と同様であり、実施例1と同様の効果を得ることができる。
図3は実施例3に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、図2と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。図3に示すように、本実施例が実施例2と相違する点は、熱利用施設1で熱源として利用されて凝縮した所定温度(例えば60[℃]程度)の熱媒体Eを吸気冷却装置8に供給するとともに、ボイラ30に再利用するための循環系統を設けことにある。
具体的には、熱利用施設1の熱交換器3から排出された熱媒体は一旦、回収タンク9に貯留される。そして、回収タンク9から排出された熱媒体はガスタービン10の吸気系統7に供給するとともに、ボイラ30の低圧側熱交換器31に供給する。従って、熱利用施設1内の熱交換器3と回収タンク9との間に熱媒体を流通させる系統を備える。また、回収タンク9と吸気冷却装置8の高圧ポンプ8bとの間に熱媒体を流通させる系統を備えるとともに、この系統から分岐された系統がボイラ30の低圧側熱交換器31に熱媒体を供給する圧送ポンプ35へ連絡する。ここで、高圧ポンプ8bは、熱媒体(蒸気)がヒートポンプ50から熱利用施設1に供給された後、熱利用施設1で熱源として利用され凝縮した熱媒体Eを吸気冷却装置8に供給する役割を果たす。また同様に、圧送ポンプ35は、熱媒体Eをボイラ30に循環供給する役割を果たす。
このように熱利用施設1で熱利用されて凝縮された熱媒体を吸気冷却装置8で蒸発させているため、凝縮した所定温度(例えば60[℃]程度)の熱媒体Eの持つ熱エネルギーをエネルギー供給システムに再度供給することができ、システム全体の熱効率が向上する。また、熱媒体の再利用が可能となるため、熱媒体の消費量が大幅に低減できランニングコストが抑制できる。
その他の構成については、前述した実施例1,2と同様であり、これらと同様の効果を得ることができる。
なお、以上の各実施形態では、熱利用施設に供給する熱媒体に水を用いる場合を説明してきた。しかし、閉じた系を構成し熱媒体が外部に流出することがない場合には、例えば二酸化炭素やアンモニア,トリフルオロエタノール等といった他の媒体を熱媒体に使用してもよい。もちろん、こうした他の媒体を単独で熱媒体として用いても良いが、場合によっては複数種類を混合しても良いし、水と混合して使用しても良く、特に限定されるものではない。
ただし、上述の各実施形態のように熱利用施設に供給する熱媒体に水を用いる場合は、従来のボイラあるいはコジェネレーションシステムから供給される蒸気を利用した熱利用施設がそのまま使用できるため、機器,材料,製造設備,設計方法等が従来と同様に利用できる利点がある。
図4は、実施例4におけるエネルギー供給システムの全体構成を示すシステムフロー図である。この図において、図3と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。本実施例では、熱利用施設1,ガスタービン10,ボイラ30をX地点に設置し、ヒートポンプ
50をX地点から遠方に離れたY地点に設置している。そして、蒸気が流れる配管74,42,温水が流れる配管38の配管の長さを引き伸ばしている。
50をX地点から遠方に離れたY地点に設置している。そして、蒸気が流れる配管74,42,温水が流れる配管38の配管の長さを引き伸ばしている。
このように、熱利用施設1と配管83を通じて熱交換器54に熱を供給する熱源の距離が離れている場合にも、ヒートポンプ50から熱利用施設1に蒸気を供給することで、X地点とY地点を遠方に離した設置が可能となる。
なお、熱利用施設1と熱源との距離が離れている場合、熱利用施設1とガスタービン
10間の吸気系統7、及びガスタービン10とボイラ30間の燃焼ガス系統で構成されるガスタービン10の空気系統の一部を引き伸ばすことも考えられる。しかし、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70は、ガスタービン10の空気系統に比較して管径が小さい。そこで、本実施例のように、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70の距離を長くすることで、設置スペース及びコスト面で有利となる。また、ガスタービン10の空気系統は、空気が圧縮性流体であるため圧縮機動力を多大に消費して圧縮している。一方、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70といった温水・蒸気系の圧力は、水が非圧縮性であるため圧送ポンプ35の動力消費で済む。そのため、エネルギー効率の面からも有利である。
10間の吸気系統7、及びガスタービン10とボイラ30間の燃焼ガス系統で構成されるガスタービン10の空気系統の一部を引き伸ばすことも考えられる。しかし、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70は、ガスタービン10の空気系統に比較して管径が小さい。そこで、本実施例のように、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70の距離を長くすることで、設置スペース及びコスト面で有利となる。また、ガスタービン10の空気系統は、空気が圧縮性流体であるため圧縮機動力を多大に消費して圧縮している。一方、ボイラ30とヒートポンプ50間の配管38,42及びヒートポンプ50と熱利用施設1間の蒸気供給系統70といった温水・蒸気系の圧力は、水が非圧縮性であるため圧送ポンプ35の動力消費で済む。そのため、エネルギー効率の面からも有利である。
図5は、実施例5におけるエネルギー供給システムの全体構成を示すシステムフロー図である。この図において、図4と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。本実施例では、ヒートポンプ50に二相流膨張タービン52を設けないとともに、ボイラ30に熱媒体Dを供給する圧送ポンプ35の上流側で分岐した熱媒体の配管をヒートポンプ50内の熱交換器54に接続している点が、実施例4と異なっている。
実施例4のように、配管38が長くなると、低圧側熱交換器31により得られた熱媒体の熱が配管38により二相流膨張タービン52に供給するまでの熱損失が大きくなる。そのため、低圧側熱交換器31の上流側に分岐36を設け、配管38内を流れる熱媒体の温度を下げてヒートポンプ50に輸送することが望ましい。このように、低圧側熱交換器
31の上流側に分岐36を設け、その分岐36からヒートポンプ50に熱媒体を供給することで配管38の熱損失を抑制することができる。
31の上流側に分岐36を設け、その分岐36からヒートポンプ50に熱媒体を供給することで配管38の熱損失を抑制することができる。
また、圧送ポンプ35より上流側に熱媒体供給系統を分岐させる分岐流路を設けることで、配管38内の熱媒体の圧力を下げてヒートポンプ50に供給することも可能となる。この場合、ヒートポンプ50の二相流膨張タービン52を省略することもできる。なお、配管38の途中に調整用のオリフィス15(またはバルブ等)を設け、配管38に流れる熱媒体の流量および圧力を調整してもよい。
図6は、実施例6におけるエネルギー供給システムの全体構成を示すシステムフロー図である。この図において、図4と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。本実施例では、図4と比較して、ヒートポンプ50を構成していた蒸気タービン51を熱利用施設1が配置されているX地点に設置し、蒸気タービン51の発電機16を駆動して得られる電気がヒートポンプ50内の圧縮機53を駆動するモータ17に伝達する点が異なっている。
ボイラ30とヒートポンプ50内の蒸気タービン51間の蒸気を供給する配管42が長くなると、配管42の圧力損失及び熱損失が増加する。そこで、本実施例では、X地点に設置されたボイラ30の近傍に、蒸気タービン51と蒸気タービン51により駆動される発電機16を配置し、ヒートポンプ50は二相流膨張タービン52,外部の熱源と熱媒体とを熱交換させる熱交換器54,熱交換器54によって熱交換された熱媒体を圧縮する圧縮機53、圧縮機53を駆動するモータ17によって構成されている。そして、発電機
16とモータ17間は電気を送電する電力線18を設ける。このように、蒸気タービン
51から得られた電力によって熱交換器54から排出された蒸気を圧縮することで、発電機16による発電,電力線18による送電,モータ17による駆動のエネルギー損失の合計が、配管42を長くしたことによる圧力損失および熱損失よりも小さい場合には、エネルギー効率向上が達成できる。また、本構成の場合、蒸気供給系統70の大部分はX地点とY地点とをまたぐ配管72である。この配管72は、配管74に比べて小径で済むため配管コストを低下させることが可能である。
16とモータ17間は電気を送電する電力線18を設ける。このように、蒸気タービン
51から得られた電力によって熱交換器54から排出された蒸気を圧縮することで、発電機16による発電,電力線18による送電,モータ17による駆動のエネルギー損失の合計が、配管42を長くしたことによる圧力損失および熱損失よりも小さい場合には、エネルギー効率向上が達成できる。また、本構成の場合、蒸気供給系統70の大部分はX地点とY地点とをまたぐ配管72である。この配管72は、配管74に比べて小径で済むため配管コストを低下させることが可能である。
なお、本実施例では二相流膨張タービン52を備えるヒートポンプ50(実施例4)において、蒸気タービン51と圧縮機53とを遠隔配置した。しかし、二相流膨張タービン52を備えないヒートポンプ50(実施例5)においても、蒸気タービン51と圧縮機
53とを遠隔配置するために蒸気タービン51の駆動力を電力によって圧縮機53に伝達することもできる。このように、二相流膨張タービン52を備えないヒートポンプ50
(実施例5)においても、蒸気タービン51から得られた電力によって熱交換器54から排出された蒸気を圧縮する圧縮機53を備えることで、実施例5の効果を併せて得ることが可能である。
53とを遠隔配置するために蒸気タービン51の駆動力を電力によって圧縮機53に伝達することもできる。このように、二相流膨張タービン52を備えないヒートポンプ50
(実施例5)においても、蒸気タービン51から得られた電力によって熱交換器54から排出された蒸気を圧縮する圧縮機53を備えることで、実施例5の効果を併せて得ることが可能である。
高温空気を用いた脱水,乾燥装置にエネルギーを供給するシステムとして、ガスタービンとヒートポンプを組み合わせたコジェネレーションシステムに適用可能である。
1…熱利用施設、2…吸気フィルター、3,54…熱交換器、4…乾燥室、5…高温空気、6…対象物、7…吸気系統、8…吸気冷却装置、8a…供給系統、8b,39…高圧ポンプ、8c…噴霧装置、9…回収タンク、10…ガスタービン、11,53…圧縮機、12…燃焼器、13…タービン、14…発電機、30…ボイラ、31…低圧側熱交換器、34…高圧側熱交換器、35…圧送ポンプ、36…分岐、37,38,42,71,72,74,83…配管、43…煙突、50…ヒートポンプ、51…蒸気タービン、52…二相流膨張タービン、70…蒸気供給系統、73…合流器。
Claims (7)
- 空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、
該ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
該ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービン及び外部から得られる熱により前記熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービン及び前記熱交換器から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
該蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、
該熱利用施設で使用された空気を前記ガスタービンに供給する吸気系統とを備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。 - 請求項1に記載のエネルギー供給システムであって、前記ガスタービン吸気系統に空気を冷却する吸気冷却装置を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
- 請求項2に記載の吸気冷却装置は、空気中で熱媒体を蒸発させることにより、熱媒体の蒸発熱を利用することを特徴とするエネルギー供給システム。
- 請求項2に記載のエネルギー供給システムであって、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記吸気冷却装置で蒸発させることを特徴とするエネルギー供給システム。 - 外部から空気を吸気し燃料と混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、
該ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
該ボイラへ該熱媒体を供給する熱媒体供給系統に圧送ポンプを設け、
該圧送ポンプより上流側に該熱媒体供給系統を分岐させる分岐流路を設け、
前記ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービン及び外部から得られる熱により該分岐流路の前記熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービン及び前記熱交換器から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
該蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、
該熱利用施設で使用された空気を前記ガスタービンの吸気として供給する吸気系統とを備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。 - 空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービンと、
該ガスタービンから排出した燃焼ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービンと、
外部から得られる熱により前記熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器及び該蒸気タービンから得られた電力によって該熱交換器から排出された蒸気を圧縮する圧縮機とを有するヒートポンプと、
前記蒸気タービン及び該圧縮機から排出した蒸気を、蒸気の熱を利用する熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
該蒸気供給系統から供給された蒸気によって対象物を脱水及び乾燥させる熱利用施設と、
該熱利用施設で使用された空気を前記ガスタービンの吸気として供給する吸気系統とを備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。 - ボイラにガスタービンが排出する燃焼ガスを供給することで蒸気を生成し、
外部から得られる熱により熱交換器で熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成し、
前記ボイラ及び前記熱交換器で生成された蒸気を熱利用施設に供給し、
前記熱利用施設で該蒸気により対象物を脱水及び乾燥させ、
前記熱利用施設で使用された空気を前記ガスタービンに供給するエネルギー供給方法。
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---|---|---|---|
JP2006021635A JP2007205169A (ja) | 2006-01-31 | 2006-01-31 | エネルギー供給システム及びエネルギー供給方法 |
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009257160A (ja) * | 2008-04-15 | 2009-11-05 | Tlv Co Ltd | 復水圧送装置 |
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CN101825004A (zh) * | 2009-09-17 | 2010-09-08 | 邢玉明 | 一种凝汽式低真空汽轮机和一种增压器 |
KR101244165B1 (ko) | 2011-02-11 | 2013-03-25 | (주)녹색에너지 | 피염물의 열처리 및 건조시스템 |
CN102996191A (zh) * | 2012-12-26 | 2013-03-27 | 北京国电蓝天节能科技开发有限公司 | 火电机组双抽可调供热*** |
CN103696819A (zh) * | 2013-12-07 | 2014-04-02 | 广西柳州发电有限责任公司 | 汽轮机高低压两级工业抽汽供热装置 |
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CN107940468A (zh) * | 2017-12-16 | 2018-04-20 | 江西正拓新能源科技股份有限公司 | 一种石墨负极材料的废料回收*** |
-
2006
- 2006-01-31 JP JP2006021635A patent/JP2007205169A/ja active Pending
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