JP4555784B2

JP4555784B2 - 低温廃熱を利用した水蒸気発生装置、その装置を用いた熱電供給装置、及び水蒸気発生方法

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Publication number: JP4555784B2
Application number: JP2006025990A
Authority: JP
Inventors: 敏彦福島; 重雄幡宮; 貴範柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: JP2007205657A

Description

本発明は、低温廃熱を利用した水蒸気発生装置、その装置を用いた熱電供給装置、及び水蒸気発生方法に関する。

近年、エネルギーの有効利用を図るために、従来はそのまま捨てられていた廃熱を有効利用する試みがなされており、その例として、内燃機関を用いて電力及び熱を供給する熱電供給装置が様々提案されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関に連結された発電機によって発電を行い、かつ、内燃機関の廃熱を回収した冷却水をそのまま給湯タンク等の熱負荷に供給することにより、電力及び熱を供給することが記載されている。

特開２００３−２１３９３号公報

しかしながら、特許文献１では、熱エネルギーとして有効利用可能な水蒸気を発生させることについて考慮されていない。すなわち、内燃機関の廃熱を回収した冷却水の温度は、例えば８０℃〜９０℃であることから、その廃熱で水蒸気を発生させることは一般に困難である。しかし、食品加工場や製紙工場などにおいては、熱エネルギーとして水蒸気を利用することが多いため、発電機を駆動する内燃機関の廃熱により温水ではなく水蒸気を発生させることができれば有効活用できる。同様に、プラント内で発生する低温廃熱や河川水などの低温廃熱を利用して水蒸気による熱を発生させることが望まれている。

本発明は、低温廃熱を利用して有効利用可能な水蒸気を発生させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の水蒸気発生装置は、低温廃熱を熱源として水を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機とを備え、圧縮機の回転数を変化させるための制御手段と、蒸発器に水を供給する流路に設けた弁と、弁の弁開度を調整する制御手段とを備え、低温廃熱の温度に対応して圧縮機の回転数と弁の弁開度を制御して蒸発器の内圧を制御することを特徴とする。

すなわち、このような構成とすることで、熱源が低温であったとしても、その温度に対応して蒸発器内の圧力を真空側に調整して、蒸発器に供給された水を低温で蒸発させることができる。そして、蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮機で圧縮することにより、所望の高温・高圧の水蒸気を発生することができる。したがって、低温廃熱により有効利用可能な高温・高圧の水蒸気を発生することができる。

この場合において、圧縮機は、複数台の圧縮機を直列に接続した多段圧縮機とし、多段圧縮機の各圧縮機間に、それぞれ各圧縮機で圧縮された水蒸気を、飽和蒸気となるように冷却する冷却手段を設けてなることが望ましい。

すなわち、高圧の水蒸気を所望する場合に、１台の圧縮機で水蒸気を所望圧力まで圧縮すると、水蒸気が高温になりすぎるので圧縮機の材料選択に制約を受ける場合がある。そこで、蒸発器で蒸発した水蒸気を、複数台の圧縮機の各圧縮機間に設けられた冷却手段で冷却しながら段階的に圧縮することにより、水蒸気の温度が高温になりすぎることを抑制できる。つまり、温度を抑えて所望の圧力の水蒸気を発生することができ、かつ、各圧縮機の信頼性を保つことができる。

この場合において、冷却手段は、各圧縮機間の水蒸気に水をインジェクションする手段を用いることが望ましい。これにより、インジェクションされた水は水蒸気の内部エネルギーとして保存されるため熱効率を向上できる。

また、本発明の熱電供給装置は、内燃機関と、内燃機関により駆動され電力負荷に電力を供給する発電機と、内燃機関に冷却水を供給する冷却水供給手段と、冷却水供給手段に流れる冷却水を熱源として水を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する圧縮機と、圧縮機の回転数を変化させるための制御手段と、蒸発器に水を供給する流路に設けた弁と、弁の弁開度を調整する制御手段とを備え、圧縮機は、発電機で発電された電気の一部又は全部により駆動され、低温廃熱の温度に対応して圧縮機の回転数と弁の弁開度を制御して蒸発器の内圧を制御することを特徴とする。

すなわち、蒸発器の熱源は、内燃機関の廃熱を回収した冷却水を用いるので、例えば８０℃〜９０℃であるが、この構成によれば、熱源の温度に対応して蒸発器内の圧力を真空側に調整して、蒸発器に供給された水を冷却水の温度で蒸発することができる。また、蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮機で圧縮することにより、所望の高温・高圧の水蒸気を発生することができる。さらに、内燃機関により駆動される発電機によって電力を発生することができる。したがって、低温廃熱を利用して有効利用可能な高温・高圧の水蒸気を発生して熱負荷に供給することができ、かつ、電力負荷に電力を供給することができる。

この場合においても、圧縮機は、複数台の圧縮機を直列に接続した多段圧縮機とし、多段圧縮機の各圧縮機間に、それぞれ各圧縮機で圧縮された水蒸気を、飽和蒸気となるように冷却する冷却手段を設けてなることが望ましい。

また、熱電供給装置は、内燃機関と、内燃機関により駆動され電力負荷に電力を供給する発電機と、内燃機関に冷却水を供給する冷却水供給手段と、冷却水供給手段に流れる冷却水を熱源として水を蒸発させる第1の蒸発器と、冷却水以外の低温廃熱を熱源として水を蒸発させる第２の蒸発器と、第１の蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する第１の圧縮機と、第２の蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する第２の圧縮機とを備え、冷却水以外の低温廃熱は、第３の圧縮機と、凝縮器として作用する第２の蒸発器と、絞り弁と、第３の蒸発器とを含んで形成される冷凍サイクルの冷媒であり、第１の圧縮機、第２の圧縮機、及び第３の圧縮機は、発電機で発電された電気の一部又は全部により駆動されることが好ましい。

これによれば、第２の蒸発器と第２の圧縮機により内燃機関の廃熱以外の低温廃熱を利用して有効利用可能な高温・高圧の水蒸気を発生することができるので、熱負荷に供給することのできる水蒸気量を増大することができる。

この場合において、第1の圧縮機及び第２の圧縮機のうち、温度の低い方の熱源によって蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機（以下、低温熱源側の圧縮機という。）の吐出側は、もう一方の圧縮機の吸入側に連結されてなることが好ましい。

つまり、低温熱源側の圧縮機で発生させる水蒸気を、もう一方の圧縮機で発生させる水蒸気と同じ圧力まで圧縮するよりも、もう一方の圧縮機の吸入側圧力まで圧縮するほうが、低温熱源側の圧縮機の圧力比（吐出側の圧力を吸入側の圧力で除した値）を低減することができる。したがって、低温熱源側の圧縮機の消費電力を低減することができ、その結果、両圧縮機の総合的な消費電力を低減することができる。

本発明によれば、低温廃熱を利用して有効利用可能な水蒸気を発生する装置及びその装置を用いた熱電供給装置を実現することができる。

以下、本発明を適用してなる水蒸気発生装置及びその装置を用いた熱電供給装置の実施例を、図１〜図８を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１に、本発明の一実施例の水蒸気発生装置を適用して構成した実施例１の熱電供給装置の構成を示す。図１に示すように、熱電供給装置１は、内燃機関２と、内燃機関２により駆動されて電力発電をする発電機３と、内燃機関２に冷却水を供給する冷却水循環ポンプ４と、内燃機関２に供給された冷却水を熱源として水を蒸発させる蒸発器５ａと、蒸発器５ａで蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機６ａと、圧縮機６ａを駆動するモータ７ａで構成されている。

次に、本実施例の熱電供給装置１の動作について説明する。蒸発器５ａに供給された供給水９は、冷却水循環ポンプ４によって冷却水ジャケットを循環して内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０で加熱されて蒸発する。そして、蒸発した水蒸気は、圧縮機６ａに吸入されて圧縮されることにより所望の高圧・高温の水蒸気１１となり、水蒸気利用設備に供給される。

また、圧縮機６ａを駆動するモータ７ａは、発電機３で発電した電力１２の一部又は全部１３を使用して駆動され、圧縮機６ａを駆動するために使用される電力以外は、電力利用設備に供給される。

本実施例の熱電供給装置１によれば、内燃機関２の廃熱を利用して水蒸気利用設備に有効利用可能な水蒸気を供給することができ、かつ、電力利用設備に電力を供給することができる。

ここで、蒸発器５ａの熱源となる内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０が、大気圧中で水を蒸発させる１００℃未満であったとしても、蒸発器５ａの内部は、熱源の温度に対応して水を蒸発させることのできる大気圧以下の圧力に調整されるので、供給水９を蒸発することができる。蒸発器５ａの内部の圧力を調整する手段は、例えば、供給水９を蒸発器５ａに供給する配管に絞り弁を設けて弁開度を調整したり、圧縮機６ａの回転速度を調整することなどで実現される。

また、上述のように、本実施例は、本発明の一実施例の水蒸気発生装置を適用して構成されている。すなわち、本実施例における水蒸気発生装置は、低温廃熱（本実施例では、内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０）を熱源として水を蒸発させる蒸発器５ａと、蒸発器５ａで蒸発した水蒸気を圧縮して所望の高温・高圧の水蒸気を発生させる圧縮機６ａと、圧縮機６ａを駆動するモータ７ａで構成されている。

図２に、本発明の実施例２における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱源供給装置は、実施例１の熱電供給装置１に、内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０以外の低温廃熱を熱源として高温・高圧の水蒸気を発生させる系統を追加したものであるので、実施例１と重複する部分の説明は省略する。

図２に示すように、熱電供給装置１は、実施例１の熱電供給装置１に、低温廃熱１５を熱源として水を蒸発させる蒸発器５ｂと、蒸発器５ｂにより蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機６ｂと、圧縮機６ｂを駆動するモータ７ｂを追加して構成されている。また、蒸発器５ｂには、蒸発器５ａと同様に供給水９が供給され、圧縮機６ｂで圧縮された水蒸気は、圧縮機６ａで圧縮された水蒸気と共に水蒸気利用設備に供給されるように構成されている。さらに、モータ７ｂには、モータ７ａと同様に発電機３で発電された電力１２の一部又は全部１３が供給されるように構成されている。

次に、本実施例の熱電供給装置１の動作について説明する。蒸発器５ｂに供給された供給水９は、蒸発器５ｂに供給された低温廃熱１５で加熱されて蒸発する。そして、蒸発した水蒸気は、圧縮機６ｂに吸入されて圧縮されることにより所望の高圧・高温の水蒸気１１となり、水蒸気利用設備に供給される。

ここで、低温廃熱１５は、例えばプラント内で発生する低温廃熱や、河川水など蒸発器５ｂの熱源として利用できるものであればよい。

本実施例の熱電供給装置１によれば、内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０以外の低温廃熱１５も水蒸気発生に利用できるので、水蒸気利用施設に供給することのできる水蒸気量を増大することができる。

図３に、本発明の実施例３における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱電供給装置は、実施例２の熱電供給装置１における圧縮機６ｂの吐出側の接続先が異なるだけであるので、実施例２と重複する部分については説明を省略する。

また、本実施例は、蒸発器５ａの熱源となる内燃機関２の廃熱を回収した冷却水１０より、蒸発器５ｂの熱源となる低温廃熱１５の温度が低い場合を例にした実施例であり、図３に示すように、圧縮機６ｂの吐出側は、圧縮機６ａの吸入側に接続されている。

本実施例の熱電供給装置１によれば、圧縮機６ｂは、圧縮機６ａの吸入側の圧力まで水蒸気を圧縮すればよいので、実施例２に比べて圧縮機６ｂの圧力比（吐出側の圧力を吸入側の圧力で除した値）を低減することができる。したがって、圧縮機６ｂの消費電力を低減することができ、その結果、圧縮機６ａ及び圧縮機６ｂの総合的な消費電力を低減することができる。

ここで、本実施例では、蒸発器５ａの熱源より蒸発器５ｂの熱源の温度が低い場合を例示したが、熱源の温度の大小関係が反対になる場合は、圧縮機６ａの吐出側を圧縮機６ｂの吸入側に接続し、圧縮機６ｂで圧縮された水蒸気を水蒸気利用設備に供給すればよい。

図４に、本発明の実施例４における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱電供給装置は、実施例３における熱電供給装置１の圧縮機６ａ及び圧縮機６ｂを多段圧縮機とし、中間冷却を行うよう構成した点が異なるだけであるので、実施例３と重複する部分については説明を省略する。

図４に示すように、圧縮機６ａは、直列に接続された圧縮機６ａ―１と圧縮機６ａ―２で構成され、圧縮機６ｂは、直列に接続された圧縮機６ｂ−１と圧縮機６ｂ−２で構成されている。また、各圧縮機間には、それぞれインジェクションノズル１６が設けられており、インジェクションノズル１６と供給水９は、インジェクションポンプ１７を介して接続されている。

次に、本実施例の動作を説明する。蒸発器５ｂに供給された供給水９は、蒸発器５ｂで蒸発して圧縮機６ｂ−２に吸入されて圧縮される。圧縮機６ｂ−２で圧縮された水蒸気は、インジェクションポンプ１７で加圧されインジェクションノズル１６にて噴霧される水により冷却された後、圧縮機６ｂ−１に吸入され更に圧縮される。圧縮機６ｂ−１で圧縮された水蒸気は、同様に冷却された後、蒸発器５ａによって蒸発した水蒸気と共に圧縮機６ａ−２に吸入され更に圧縮される。そして、圧縮機６ａ−２で圧縮された水蒸気は、同様に冷却された後、圧縮機６ａ−１に吸入されて更に圧縮されて、所望の高温・高圧の水蒸気１１となり水蒸気利用設備に供給される。

次に、本実施例の多段圧縮機及び中間冷却の効果を、図５を用いて説明する。図５は、水蒸気の状態を温度と比エントロピーを用いて表した、いわゆるＴ−ｓ線図である。縦軸３６０℃付近から横軸９．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ付近へ至る曲線は飽和蒸気線で、この線より上の領域は過熱蒸気、下の領域は気液二相の状態である。また、右上から左下へ伸びて飽和蒸気線に交差した後、二相域で左へ水平に伸びる線は等圧線であり二相域では等温線と一致する。ここで、６０℃、２０ｋＰａの飽和蒸気Ａを６００ｋＰａまで圧縮して１５９℃の飽和蒸気を発生させる場合を例に説明する。なお、圧縮機の断熱効率は１００％とする。状態Ａの飽和蒸気を６００ｋＰａまで一段で圧縮すると状態Ｂとなり、吐出側の水蒸気温度は４６６℃にもなる。必要な蒸気温度は１５９℃であるので、圧縮機駆動電力が無駄となり、また高温のため圧縮機の信頼性も低下する。一方これを、中間冷却を行いながら各段圧力比２．３４で６００ｋＰａまで段階的に圧縮すると吐出側の水蒸気温度２１７℃の状態Ｃとなり、圧縮機の駆動電力を低減し信頼性も向上できる。なお、中間冷却の方法としては液インジェクションのほかに、インタークーラ等の使用も可能である。

図６に、本発明の実施例５における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱電供給装置は、実施例４の熱電供給装置１における蒸発器５ｂの熱源が異なるだけであるので、実施例４と重複する部分の説明は省略する。

図６に示すように、蒸発器５ｂの熱源は、蒸発器５ｂと、絞り弁２０と、蒸発器５ｃと、圧縮機６ｃで形成される冷凍サイクルの冷媒２１を用いる。また、蒸発器５ｃは、冷水循環ポンプ２２を介して建家と循環接続されている。

ここで、蒸発器５ｂの熱源となる冷媒２１は、例えば０℃以下でも凝固しないＨＦＣ１３４ａなどである。冷媒２１は、建屋の冷房に使用した１２℃程度の戻り冷水２３を熱源として蒸発器５ｃで蒸発してモータ７ｃで駆動される圧縮機６ｃに吸入される。圧縮機６ｃで圧縮され過熱ガスとなった冷媒２１は、蒸発器５ｂに供給される供給水９に熱を与えて冷却され凝縮・液化する。そして、絞り弁２０で減圧された後に蒸発器５ｃに戻る。また、建屋の冷房に使用した戻り冷水２３は、蒸発器５ｃで７℃程度に冷却されて冷水循環ポンプ２２で建屋に戻される。

本実施例の熱電供給装置１によれば、実施例４より更に低温の廃熱を熱源として、高温・高圧の水蒸気を発生することができる。

図７に、本発明の実施例６における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱電供給装置は、実施例５における蒸発器５ｃの熱源が異なるのみであるので、実施例５と重複する部分の説明は省略する。

図７に示すように、蒸発器５ｃの熱源は、ヒーティングタワー２４で大気から熱を回収して循環ポンプ２５によって蒸発器５ｃに供給される不凍液２６である。不凍液２６の温度は、夏場で３２℃程度、冬場で−７℃程度である。

本実施例の熱電供給装置１によれば、例えばプラント内で発生する低温廃熱や河川水などの廃熱、又は建屋がない場合でも、身近にある大気から熱を回収して利用することにより、高温・高圧の水蒸気を発生することができる。

図８に、本発明の実施例７における熱電供給装置の構成を示す。本実施例の熱電供給装置は、実施例６の熱電供給装置１に排ガスボイラーを追加したものであるので、実施例６と重複する部分の説明は省略する。

図８に示すように、実施例６の熱電供給装置１に、排ガスボイラー２７が併設されており、排ガスボイラー２７に供給された供給水９は、内燃機関２の排気ガス２８を熱源として蒸発し、水蒸気利用設備に供給される。

本実施例の熱電供給装置１によれば、内燃機関２の廃熱や、それ以外の低温廃熱に加えて、内燃機関２の排気ガス２８の熱も水蒸気発生に利用でき、水蒸気利用設備に供給する水蒸気量をさらに増大することができる。

本発明の実施例１における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の実施例２における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の実施例３における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の実施例４における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の多段圧縮及び中間冷却の効果を説明する水蒸気のＴ−ｓ線図である。本発明の実施例５における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の実施例６における熱電供給装置の構成を示す図である。本発明の実施例７における熱電供給装置の構成を示す図である。

符号の説明

１熱電供給装置
２内燃機関
３発電機
４冷却水循環ポンプ
５蒸発器
６圧縮機
７モータ
９供給水
１０冷却水
１１水蒸気
１６インジェクションノズル
１７インジェクションポンプ
２７排ガスボイラー

Claims

低温廃熱を熱源として水を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機とを備えてなる水蒸気発生装置において、
前記圧縮機の回転数を変化させるための制御手段と、
前記蒸発器に水を供給する流路に設けた弁と、
前記弁の弁開度を調整する制御手段とを備え、
前記低温廃熱の温度に対応して前記圧縮機の回転数と前記弁の弁開度を制御して前記蒸発器の内圧を制御することを特徴とする蒸気発生装置。
前記圧縮機は、複数台の圧縮機が直列に接続された多段圧縮機であり、該多段圧縮機の各圧縮機間に、それぞれ前記各圧縮機で圧縮された水蒸気を、飽和蒸気となるように冷却する冷却手段を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の水蒸気発生装置。
内燃機関と、該内燃機関により駆動され電力負荷に電力を供給する発電機と、前記内燃機関に冷却水を供給する冷却水供給手段と、該冷却水供給手段に流れる冷却水を熱源として水を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する圧縮機と、前記圧縮機の回転数を変化させるための制御手段と、前記蒸発器に水を供給する流路に設けた弁と、前記弁の弁開度を調整する制御手段とを備え、前記圧縮機は、前記発電機で発電された電気の一部又は全部により駆動され、前記低温廃熱の温度に対応して前記圧縮機の回転数と前記弁の弁開度を制御して前記蒸発器の内圧を制御する熱電供給装置。
前記圧縮機は、複数台の圧縮機が直列に接続された多段圧縮機であり、該多段圧縮機の各圧縮機間に、それぞれ前記各圧縮機で圧縮された水蒸気を、飽和蒸気となるように冷却する冷却手段を設けてなることを特徴とする請求項３に記載の熱電供給装置。
内燃機関と、該内燃機関により駆動され電力負荷に電力を供給する発電機と、前記内燃機関に冷却水を供給する冷却水供給手段と、該冷却水供給手段に流れる冷却水を熱源として水を蒸発させる第1の蒸発器と、前記冷却水以外の低温廃熱を熱源として水を蒸発させる第２の蒸発器と、前記第１の蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する第１の圧縮機と、前記第２の蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮して熱負荷に供給する第２の圧縮機とを備え、前記冷却水以外の低温廃熱は、第３の圧縮機と、凝縮器として作用する前記第２の蒸発器と、絞り弁と、第３の蒸発器とを含んで形成される冷凍サイクルの冷媒であり、前記第１の圧縮機、前記第２の圧縮機、及び前記第３の圧縮機は、前記発電機で発電された電気の一部又は全部により駆動される熱電供給装置。
前記第1の圧縮機及び前記第２の圧縮機のうち、温度の低い方の熱源によって蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機の吐出側は、もう一方の圧縮機の吸入側に連結されてなることを特徴とする請求項５に記載の熱電供給装置。
前記第１の圧縮機及び前記第２の圧縮機は、それぞれ複数台の圧縮機が直列に接続された多段圧縮機であり、該多段圧縮機の各圧縮機間に、それぞれ前記各圧縮機で圧縮された水蒸気を、飽和蒸気となるように冷却する冷却手段を設けてなることを特徴とする請求項６に記載の熱電供給装置。
低温廃熱を熱源として水を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で蒸発した水蒸気を圧縮する圧縮機とを備えてなる水蒸気発生装置を用いて水蒸気を発生させる方法において、
前記圧縮機の回転数を変化させるための制御手段と、
前記蒸発器に水を供給する流路に設けた弁の弁開度を調整する制御手段とによって、
低温廃熱の温度に対応して蒸発器の内圧を制御して蒸気を発生させる水蒸気発生方法。