JP2021509167A - ボイラー用のコジェネレーションシステム - Google Patents

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Abstract

ボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)は、家庭で使用するために水を加熱することが可能であるボイラー(101,201,301)と、ボイラー(101,201,301)に設置された燃焼器(101a,201a,301a)と、圧縮器(104,204,304)と、燃焼器(101a,201a,301a)で発生した燃焼気体と、圧縮器(104,204,304)から来る流体との間で熱エネルギーを交換するための熱交換器(102,202,302)と、ガスタービン(103,203,303)と、電気エネルギーを発生することが可能である電流発電機(105,205,305)及び電流変換器(106,206,306)と、熱エネルギーを回収することが可能である主要気体/水交換器(107,207,307)と、を備える。ボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)は、また、ガスタービン(103,203,303)に入る流体の流れを調節するように構成されるバイパス弁(110,210,310)を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、ボイラー用のコジェネレーションシステムに関する。
具体的には、本発明は、ボイラー用のコジェネレーションシステムに関し、例えば、家庭で使用するためのボイラー用または蒸気発生ボイラー用のコジェネレーションシステムに関する。
既知であるように、高温の水を生産するための汎用家庭用ボイラーは、通常、室内温度(Tamb)で、空気(酸化剤)によって、燃料(液体またはガス)の燃焼を使用する。概して、主要交換器が挿入される熱的に断熱された燃焼チャンバが存在するボイラーでは、加熱された作動流体(一般的に、水)は、15°C〜80°Cの範囲の温度において流れる。
ガス蒸気コジェネレーションシステムを有する加熱デバイスが説明される中国特許出願公開第105222203号明細書に説明されるボイラー等のボイラーに適用されるコジェネレーションシステムは既知である。
しかしながら、ボイラー用の既知のコジェネレーションシステムは、一般市民及び家庭用途のために最適化されてなく、扱いにくく、高価である。さらに、既知のコジェネレーションシステムでは、いったん燃焼によって供給される電力が一定になると、熱エネルギーの生産は電気エネルギーの生産に関係があり、これにより、その比率を変化させることができない。この制限の結果として、熱エネルギーの一部が増加する場合だけ、供給エネルギーを増加させる必要があるだろう、また、結果として、電気エネルギーの生産は増加するだろう。既知のシステムでは、したがって、生産された熱エネルギーの量は、生産されている電気エネルギーの量に結び付けられる。
これらの問題を解決することを試みる解決策は、ガスタービン、圧縮器、及び発電機を有する小型住宅ユニット用の電気エネルギー−熱コジェネレーションシステムを開示している独国特許出願公開第102009057100号明細書である。ガスタービンの膨張機、圧縮器、及び発電機は、共通軸上で配置される。軸受のガスは、圧縮器によって正圧の状態になる。作動ガスは、ヘリウム等の不活性ガスである。
中国特許出願公開第105222203号明細書 独国特許出願公開第102009057100号明細書
この解決策の問題は、生産されたエネルギーを調節できないことと、生産されたエネルギーを変動するように電気部分及び熱部分に分割できないことである。
本発明の目的は、ボイラー用のコジェネレーションシステムを提供することであり、コジェネレーションシステムは、燃焼気体の熱を回収し、その熱を電気エネルギーに及び熱エネルギーに変換し、必要に応じて、電気エネルギーに変換される部分と熱エネルギーを生産することを目的とする部分との比率を修正することを可能にし、この電力(ワット)は、その最大値において全収率を一定に維持し、これにより、既知の技術的解決策の制限を克服する。
さらに、本発明の目的は、効率的で、安価で、及び大きくないボイラー用のコジェネレーションシステムを提供することである。
最終的に、本発明の目的は、熱エネルギーの生産と、必要に応じて、電気エネルギーの生産とを可能にするボイラー用のコジェネレーションシステムを提供し、全収率を常に一定に維持することである。
本発明に従って、ボイラー用のコジェネレーションシステムは、請求項1に定義されるように提供される。
ここで、本発明を良好に理解にするために、添付図を参照して、純粋に非限定例によって好ましい実施形態が説明される。
本発明による、ボイラー用のコジェネレーションシステムの第1の実施形態のブロック図を示す。 本発明による、ボイラー用のコジェネレーションシステムの第2の実施形態のブロック図を示す。 本発明による、ボイラー用のコジェネレーションシステムの第3の実施形態のブロック図を示す。
図を参照して、システム100,200,300は、本発明に従って示される。
ボイラー用のコジェネレーションシステム100,200,300は、内部に、液体またはガス燃料の燃焼器101a,201a,301aを備える、好ましくは、家庭で使用するために水を加熱することが可能であるボイラー101,201,301と、圧縮器104,204,304と、燃焼器101a,201a,301aによって作られた燃焼気体と、圧縮器104,204,304から出る流体との間の熱エネルギーを交換するための熱交換器102,202,302と、熱交換器102,202,302によって圧縮及び加熱される流体に影響を与えるガスタービン103と、ガスタービン103,203,303に接続され、電気エネルギーを作ることが可能である電流発電機105,205,305及び電流変換器106,206,306と、燃焼気体内に含有され、熱交換器102,202,302によって吸収されない、燃焼器101a,201a,301aの燃焼によって作られた熱エネルギーの残りの部分を回収することが可能であり、熱交換器102,202,302の後に設置された主要気体/水交換器107,207,307と、を備える。
コジェネレーションシステム100,200,300は、加えて、ガスタービン103,203,303の前に、ガスタービン103,203,303に入る圧縮及び加熱された流体の流れの一部を調節するように構成されるバイパス弁110,210,310を備え、電気エネルギーを作ることを目的にしている。流体の中に含有される熱エネルギーを回収するために、流体の残りの流れは、ガスタービン103,203,303から出るものと混合され、システム100内の燃焼器101aに、システム200,300内の熱交換器209,309に送られる。
本発明の態様に従って、バイパス弁110,210,310の開閉は、現在の熱及び電気に関する必要性に応じて電子制御ユニットによって制御される。係る電子制御ユニットは、また、現在の必要性と比較して、熱及び電気エネルギーの生産の超過を回避するように、燃焼器101a,201a,301aで燃焼するための燃料の量で作動する。
本発明の態様に従って、代替としてまたはバイパス弁110,210,310に加えて、システム100,200,300は、また、順に電子制御ユニットによって駆動される可変形態タービンを含む。
本発明の態様に従って、熱交換器102,202は、システム100,200内の気体/空気熱交換器であり、システム300内に気体/ガス状流体がある。熱交換器102,202,302は、気体が320°C以上の温度で主要気体/水交換器107,207,307を通過するように、気体の熱エネルギーの少なくとも5%を吸収するように構成される。
利点をもたらすように、本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステム100,200,300は、加熱するための燃料消費量(kWhで表される)に対する電力消費量が30%未満(すなわち、0.30≧(電気kWh)/(熱kWh))である状況でさえも、コジェネレーションを使用することが可能である。
さらに、利点をもたらすように、コジェネレーションシステム100,200,300は、適切に変化させることによって、小型または大型の凝縮ボイラーまたは従来のボイラーに適用されることができる。
図1は、ボイラー用のコジェネレーションシステム100の第1の実施形態を示し、コジェネレーションシステム100は、液体またはガス燃料燃焼器101a、燃焼器101aに接続される気体/空気熱交換器102、及び気体/空気交換器102に直列に設置される主要気体/水交換器107を備える、ボイラー101と、周囲空気を圧縮するための及び周辺空気を気体/空気交換器102に送るための圧縮器104と、気体/空気交換器102によって熱的に供給され、燃焼器101aに接続される外燃式開放サイクルガスタービン103とを備える。
気体/空気交換器102をボイラーの内側に設置することによって、利点をもたらすように、システム100は、燃焼によって作られた熱エネルギーの一部を吸収し、それを電気エネルギーに変換し、係る変換で損失する熱エネルギーの一部を回収する。
例えば、家庭用ボイラーを使用するアパートでは、電気kWhと熱kWhとの比率は<0.10であり、すなわち、アパートの電気エネルギーの1年の平均必要量は、加熱するために使用されるガスの必要量(kWhで表される)の10%に大体等しい。したがって、係る条件下では、気体/空気交換器102は、気体の熱エネルギーの10%を吸収し、これにより、家庭で使用するためにボイラーの場合、これらは、350°C未満であるが、約325°Cで主要気体/水交換器107を通過する。
利点をもたらすように、本発明に従って、主要気体/水交換器107は、燃焼気体内に含有される熱を熱回収するように構成される。
利点をもたらすように、本発明に従って、気体/空気交換器102に移送されない燃焼器101aによって作られた熱エネルギーの一部(好ましくは、熱エネルギーの70%よりも大きいもの)は、水を加熱するために主要気体/水交換器107に気体によって移送される。
本発明の態様に従って、電流発電機105(直流(DC)または交流(AC)を発生する)及び電流変換器106(DC/DC、DC/AC、またはAC/ACコンバータのいずれか)は、配電網の技術仕様書に従って、電気エネルギーを作ることが可能である。
使用中、圧縮器104は、環境から取得した空気を圧縮し、その空気を気体/空気交換器102に送り、気体/空気交換器102では、空気自体は、ボイラー101の燃焼器101aによって発生する熱出力の一部になる。したがって、加熱された空気はタービン103に入り、タービン103では、その空気が膨張し、タービン103は、発電機105(DCまたはAC)及び電流変換器106が配電網の技術仕様書に従って、電気エネルギーに変換されるエネルギーを発生する。
本発明の態様に従って、タービン103から出る空気は、ボイラー101内の燃焼空気と混合される。
利点をもたらすように、タービン103から出る空気の残りの熱エネルギーは回収され、高温を達成することを容易にするために、混合することによって、またはボイラー101に直接、ボイラー101の燃焼器101aに供給する燃焼空気の温度を増加させる。
利点をもたらすように、システム100は、開放サイクルガスタービン103によって機械エネルギーの生産、ひいては、発電機105及びコンバータ106による電気エネルギーの生産を達成することを可能にし、その残りの熱出力は、バイパス弁110によって再指向されている可能性がある流体中に存在するものと一緒にボイラー内で回収される。このように、システム100の全体効率は、標準的ボイラーの熱効率と同様のままであるが、活用する電気エネルギーの生産が同時に発生する。
利点をもたらすように、システム100は、給電された電力の5%よりも大きいパーセンテージを伴う電気エネルギーを作り、熱エネルギー(水または蒸気の形態)の必要量及び電気エネルギーの必要量が第1の量に向かってかなり不均衡になる状況でさえも、コジェネレーションを可能にする。
利点をもたらすように、全体効率を一定に維持して、バイパス弁110によって、タービン内の空気の循環に適切な変化をもたらす熱エネルギーの生産を好む場合、バイパス弁110によって、または発電機を配電網に接続しないことによって、使用する燃料量及電気エネルギーの生産量の一部の両方を調節することが可能である。
図2及び図3に各々示される第2及び第3の実施形態では、システム200,300は、タービン203,303から出る流体の及びバイパス弁210,310によって方向転換される可能性がある流体の残りの熱エネルギーを回収することと、加熱され、主要交換器207,307に入る予定である水を予熱することとが可能である追加の熱交換器209,309を含む。
具体的には、システム200は、前述のシステム100の一部に加えて、システム200内で外燃式閉鎖サイクルタービン203であるタービン203に接続される追加の空気/水熱交換器209を含む。この場合、バイパス弁210によって方向転換する空気とも混合するタービン203から出る空気は、その残りの熱エネルギーによって、熱エネルギーをボイラー内で加熱された水に直接与える空気/水交換器209に提供される。
利点をもたらすように、追加の交換器209,309は、水の予熱、ひいては、水がボイラーから出るときに水が所望温度に到達するまでの待機時間の短縮を可能にする。同時に、空気は、圧縮器204によって取得された等の周辺温度よりも低くなり得ることもある温度に冷却され、その温度の状態になる。このように、タービンサイクルは、第1の実施形態のものに近いタービン/ボイラーユニットの全体効率を有する閉鎖サイクルになり、大気圧よりも高い最小圧力で、タービンプラント内で、より速い水分加熱の利点をもたらし、空気を使用することが可能であり、これは、タービンの同じ出力電力またはより高性能、ひいては、電気エネルギー(常に、上記に示した性能の割合の範囲内にあるままである)のより大きい生産量を伴うより小型の全体寸法を取得するようになる。
使用中、第1の実施形態と同様に、システム200では、圧縮器204は空気を圧縮し、空気を熱交換器202に送り、熱交換器202では、空気はボイラー201内の燃焼器201aによって作られた熱出力の一部を得る。このように加熱された空気は、流れがバイパス弁210によって調節された状態で、タービン203内に入り、タービン203は、発電機205(DCまたはAC)及び電流変換器206が電気エネルギーに変換される生産エネルギーを膨張させる。
図3に示される本発明の第3の実施形態に従って、圧縮器304には、空気の代わりに、不活性ガス状流体が供給され、実行される機能の目的のために、空気の特徴と比較してより効率的な特徴によって特徴付けられる。
本発明の態様に従って、ガスタービン303は燃焼器301aに接続される外燃式閉鎖サイクルタービンであり、追加の熱交換器309はタービン303の出力に設置されたガス状流体/水交換器であり、これにより、残りの熱エネルギーはガス状流体/水交換器309に伝達される。
したがって、本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステム100,200,300は、水の予熱の調整、ひいては、水がボイラーから出るときに、水が所望の温度に到達するまでの待機時間の短縮を可能にする。
利点をもたらすように、本発明に従って、本システムは、ボイラーのガスと同様の排出ガスの放出によって特徴付けられ、したがって、電気エネルギーを生産する他のシステムによって発生するものと比較してかなり低い排出になる。
本発明に従ったシステムのさらなる利点は、任意の大きさの電力で、構造的に単純であり、容易に実現することであり、より大きなスケールで拡散が可能である。
本発明に従ったシステムのさらなる利点は、圧縮器によって取り戻されるように、同時に、不活性ガスが室内温度よりもさらに低くなり得る温度に冷却され、その温度の状態になる事実によって、速い水分加熱が行われ、不活性ガスを使用することが可能である。
本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステムの別の利点は、同じ生産された電力に対して小型であり、より高性能のタービン、ひいては、電気エネルギーの生産の増加をもたらすことである。
最終的に、本明細書に説明され及び示されるボイラー用のコジェネレーションシステムは、修正及び変形形態を受け得、それによって、添付の請求項に定義される本発明の範囲から逸脱しない範囲に収まることは明らかである。

Claims (9)

  1. ボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)であって、
    家庭で使用するために水を加熱することが可能であるボイラー(101,201,301)と、
    前記ボイラー(101,201,301)に設置され、燃焼気体が流れ出る液体またはガス燃料の燃焼器(101a,201a,301a)と、
    ガス状流体のための圧縮器(104,204,304)と、
    前記燃焼器(101a,201a,301a)で発生した燃焼気体と、前記圧縮器(104,204,304)から来る流体との間で熱エネルギーを交換することが可能である熱交換器(102,202,302)と、
    前記熱交換器(102,202,302)から圧縮及び加熱された流体を受容するガスタービン(103,203,303)と、
    前記ガスタービン(103,203,303)に接続され、電気エネルギーを発生することが可能である電流発電機(105,205,305)及び電流変換器(106,206,306)と、
    前記熱交換器(102,202,302)の後に設置され、前記燃焼器(101a,201a,301a)で発生した気体と、水との間で熱エネルギーを回収することが可能である主要気体/水交換器(107,207,307)と、を備え、
    前記ガスタービン(103,203,303)の前に設置され、前記ガスタービン(103,203,303)に入る流体の流動率及び前記燃焼器(101a)または前記熱交換器(209,309)に送られる残りの流体の流れを調節するように構成されるバイパス弁(110,210,310)を備えることで特徴付けられる、コジェネレーションシステム(100,200,300)。
  2. 前記バイパス弁(110,210,310)は、電子制御ユニットによって前記バイパス弁(110,210,310)の開閉が制御されることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  3. 前記ガスタービン(103)は、前記燃焼器(101a)に接続される外燃式開放サイクルタービンであることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100)。
  4. 前記ガスタービン(203,303)は、前記燃焼器(201a,301a)に接続される外燃式閉鎖サイクルガスタービンであることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  5. 前記熱交換器(102,202)は、前記燃焼器(101a,201a)から出る前記気体の前記熱エネルギーの少なくとも5%を吸収し、気体を320°C以上の温度で出させるように構成される気体/空気交換器であることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  6. 前記圧縮器(304)にはガス状流体が供給されることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  7. 前記熱交換器(302)は、前記燃焼器(101a,201a)から出る煙道ガスの前記熱エネルギーの少なくとも5%を吸収し、気体を320°C以上の温度で出させるように構成される気体/ガス状流体交換器であることを特徴とする、請求項6に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  8. 前記タービン(203,303)から出る流体と、主要熱交換器(207,307)に入る水を予熱するために前記バイパス弁(210,310)によって再指向される流体流動との残りの熱エネルギーを回収することが可能である追加の熱交換器(209,309)を備えることを特徴とする、請求項1に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム(100,200,300)。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のコジェネレーションシステム(100,200,300)を備える、家庭用ボイラー。
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