JP4736885B2 - 排熱回収発電システム - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収発電システムに関するものである。

排熱回収して発電を行う技術に関して以下のものが提案されている。
セメントプロセスからの排熱を回収する発電設備において、セメント排熱によって高圧の飽和蒸気を発生させ、ガスタービン排ガスの高温側によって過熱蒸気として蒸気タービンに送るほか、ガスタービン排ガスの低温側によって発生させた熱水およびセメント排熱によって発生させた熱水を中圧フラッシャに導き、発生させた中圧飽和蒸気をガスタービン排ガス中温部分で過熱して中圧・中温蒸気とし、さらに中圧フラッシャ内の熱水を低圧フラッシャに導き低圧飽和蒸気を発生させ、中圧・中温蒸気と低圧飽和蒸気を蒸気タービンに混気させる熱効率の高い発電プラント（特許文献１参照）。
特開平６―４２７０３号公報

回収の容易な排熱源は、例えば特許文献１に示されるような方式によって既に排熱回収されており、未回収のまま残されている排熱源は排熱量が小さく、かつ分散して存在している場合が多い。
このような、未回収のまま残されている散在する小排熱量の排熱源から効率的な熱回収を行うシステムについては未だ有効なものがなく、その開発が望まれている。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、未回収のまま分散して存在する排熱を効率よく回収する排熱回収発電システムを得ることを目的としている。

上記のような未回収排熱源について分散して存在するそれぞれの場所で動力回収しようとすれば小型の熱回収タービンを設置することとなるが、タービンは小型になるほど低効率となる上、コストが割高となるため経済性が得られない。

そこで、それぞれの場所で動力回収するのではなく、それぞれの場所で発生する排熱を搬送して１箇所に集めて利用するのが望ましいと考えられるが、蒸気で搬送すると搬送配管口径が大きくなり、熱搬送設備（配管）のコストが高くなる。
この点、排熱を熱水で熱回収し、熱水を搬送することによって一箇所に集めるようにすれば熱搬送配管径を小さくできる。そして、一箇所に集めた熱水をタービン入口で減圧してフラッシュして得られる蒸気をタービン駆動に供するようにする。

しかし、フラッシュして得られる蒸気は飽和蒸気であるため、タービンでの動力回収効率が低い。この理由は、飽和蒸気駆動の場合、タービン出口蒸気の湿り度が高くなるが、湿り度が高くなる（乾き度が低くなる）とタービン回転翼の浸食が問題となるため、乾き度の下限制約から、タービンで回収できる動力が小さくなるためである。
この点、タービン入口蒸気（飽和状態）を加熱して過熱蒸気とすることにより、タービン出口湿り度を抑制することが可能である。
しかしながら、他の高温媒体（例えば燃焼ガス）により過熱する場合、過熱対象となる飽和蒸気は例えば200℃程度以上の温度となっているため、高温媒体からは例えば250℃程度までしか熱を取りきれず、十分に高温媒体の熱量を有効利用できない。例えば、燃料の燃焼ガスにより過熱する場合、過熱に供された後の燃焼排ガスが高い温度のまま排気されてしまう。
また、過熱手段に関しても、例えば特許文献１のようにガスタービンの排ガスを利用するためには、高コストなガスタービンを併設する必要がある。

そこで、過熱対象となる飽和蒸気は200℃程度以上の温度であっても、過熱に供するエネルギーを無駄にしないような過熱方式で、しかも低コストな過熱手段が必要となる。
本発明は以上のような検討を基になされたものであり、具体的には以下のような構成を有するものである。

（１）本発明に係る排熱回収発電システムは、分散した小規模排熱源から排出される排熱を熱水として回収する複数の排熱回収熱水ボイラと、該複数の排熱回収熱水ボイラで生成された熱水を一箇所に集める高圧熱水配管系と、減圧手段とフラッシャから成り前記熱水から飽和蒸気を発生させる飽和蒸気発生手段と、該飽和蒸気発生手段によって発生した飽和蒸気を過熱蒸気にする過熱蒸気生成手段と、該過熱蒸気発生手段によって生成された蒸気によって駆動する蒸気タービン発電機を備え、前記過熱蒸気生成手段が、蒸気タービンと同軸で駆動される蒸気圧縮機であることを特徴とする排熱回収発電システム。

（２）また本発明に係る排熱回収発電システムは、分散した小規模排熱源から排出される排熱を熱水として回収する複数の排熱回収熱水ボイラと、該複数の排熱回収熱水ボイラで生成された熱水を一箇所に集める高圧熱水配管系と、減圧手段とフラッシャから成り前記熱水から飽和蒸気を発生させる飽和蒸気発生手段と、該飽和蒸気発生手段によって発生した飽和蒸気を過熱蒸気にする過熱蒸気生成手段と、該過熱蒸気発生手段によって生成された蒸気によって駆動する蒸気タービン発電機とを備え、前記過熱蒸気生成手段が、蓄熱式バーナを適用した燃料焚き過熱器であることを特徴とするものである。
上記（１）、（２）に示したような過熱蒸気生成手段を用いることで、低コストで効率よく過熱蒸気を生成することが可能となる。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載の飽和蒸気発生手段は多段式であり、蒸気タービンは混圧式であることを特徴とするものである。

本発明においては、分散した小規模排熱源から排出される排熱を利用して熱水を生成する工程と、複数箇所で生成された熱水を一箇所に集める工程と、一箇所に集められた熱水から飽和蒸気を生成する工程と、生成された飽和蒸気を過熱蒸気にする工程と、生成された過熱蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電する工程と、を備えたことにより、未回収のまま分散して存在する排熱を効率よく回収することが可能となる。

［実施の形態１］
図１は本発明の一実施の形態に係る排熱回収発電システムの系統図である。以下、図１に基づいて本実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る排熱回収発電システム１は、分散した小規模排熱源３から排熱を熱水として回収する複数の排熱回収熱水ボイラ５と、該複数の排熱回収熱水ボイラ５で生成された熱水を一箇所に集める高圧熱水配管系７と、高圧熱水配管系７によって一箇所に集められた熱水から熱回収して発電を行う熱回収発電プラント９を備えている。

熱回収発電プラント９は、第１の減圧弁１１と第１のフラッシャ１３から成り前記熱水から飽和蒸気を発生させる第１の飽和蒸気発生手段１５と、第１の飽和蒸気発生手段１５によって発生した飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する蓄熱式バーナーを適用した燃料焚き過熱器１７と、第２の減圧弁１９と第２のフラッシャ２１から成り第１のフラッシャ１３の熱水から飽和蒸気を発生させる第２の飽和蒸気発生手段２３と、燃料焚き過熱器１７で生成された過熱蒸気と第２の飽和蒸気発生手段２３で生成された飽和蒸気を導入して駆動される混圧式の蒸気タービン２５と、該蒸気タービン２５によって駆動されて発電を行う発電機２７と、を備えている。
以下、主な構成を詳細に説明する。

＜小規模排熱源＞
小規模排熱源３とは、散在する排熱量の少ない未回収の排熱源をいう。例えば製鉄所などで敷地内に点在している各種工場において加熱炉の排ガス（例えば300℃）が未利用のまま排出されているが、このような未利用の加熱炉の排ガスが小規模排熱源３にあたる。

＜排熱回収熱水ボイラ＞
排熱回収熱水ボイラ５とは、小規模排熱源３の排熱と供給される水との熱交換によって熱水を生成するものである。

＜高圧熱水配管系＞
高圧熱水配管系７は、複数の排熱回収熱水ボイラ５で生成された熱水を一箇所に集めるための配管系であり、配管８およびポンプ２９を含む。配管８は、複数の排熱回収熱水ボイラ５の熱水出口側に接続されて熱水を熱回収発電プラント９に送水する送水ラインと、第２のフラッシャ２１および蒸気タービン２５から排出される蒸気を復水する復水器３１に接続されて動力回収された後の復水を排熱回収熱水ボイラ５の給水口に戻す戻水ラインからなり、熱水および動力回収された後の復水が循環する循環路を形成している。

＜第１の飽和蒸気発生手段＞
第１の飽和蒸気発生手段１５は、第１の減圧弁１１と第１のフラッシャ１３からなるものである。第１の減圧弁１１によって高圧の熱水を減圧して蒸気を発生させ、第１のフラッシャ１３によって蒸気と熱水とに分離する。第１のフラッシャ１３で気液分離された飽和蒸気は燃料焚き過熱器１７に供給され、加熱されて過熱蒸気となる。

＜燃料焚き過熱器＞
燃料焚き過熱器１７は、蓄熱式バーナーを利用した燃料焚き方式のものである。蓄熱式バーナーは、２つのバーナーを一組として一定時間毎に交互に燃焼させ、非燃焼側を煙道とするものである。排気ガスが非燃焼側のバーナーを経由して煙道に排出する過程において、バーナー直後に設置された蓄熱体を加熱することにより、排熱を蓄熱する。そして、この側のバーナーが燃焼する時には、燃焼用空気が蓄熱体を通過するときに高温に加熱されてバーナーに供給される。

上記のように構成された燃料焚き過熱器１７においては、第１のフラッシャ１３で気液分離された飽和蒸気が導入されて、バーナーの燃焼ガスと熱交換され飽和蒸気が過熱蒸気とされ、過熱蒸気は蒸気タービン２５に導入されてタービンを駆動する。
このとき、飽和蒸気を加熱したあとの燃焼排ガスは非燃焼側のバーナーに設置された蓄熱体で低温まで熱回収された後に排出されるので、熱を無駄にすることが無く好適である。

＜第２の飽和蒸気発生手段＞
第２の飽和蒸気発生手段２３は、第２の減圧弁１９と第２のフラッシャ２１を備えてなるものである。
第２の減圧弁１９は第１のフラッシャ１３からの熱水を減圧して蒸気を発生させる。第２のフラッシャ２１は第２の減圧弁１９の下流側にあって気液を分離する。第２のフラッシャ２１で分離された飽和蒸気は蒸気タービン２５に供給されてその駆動に供される。

＜蒸気タービン＞
蒸気タービンは、過熱蒸気および飽和蒸気を導入して駆動する混圧式の蒸気タービン２５であり、発電機２７を駆動して発電を行う。

次に、上記のように構成された本実施の動作を説明する。
上記のように構成された排熱回収発電システム１においては、小規模排熱源３からの排出される排熱が排熱回収熱水ボイラ５によって熱水として熱回収され、生成された熱水は高圧熱水配管系７によって、熱回収発電プラント９に送水される。
熱回収発電プラント９に送水された熱水は、第１減圧弁によって減圧されて蒸気を発生させ、第１のフラッシャ１３で気液分離される。第１のフラッシャ１３で気液分離された飽和蒸気は燃料焚き過熱器１７に送られて過熱蒸気とされ、蒸気タービン２５に導入されて駆動源とされる。

第１のフラッシャ１３で気液分離された熱水は第２の減圧弁１９によって減圧されて蒸気を発生させ、第２のフラッシャ２１で気液分離される。第２のフラッシャ２１で気液分離された飽和蒸気は蒸気タービン２５に導入され、タービンの駆動に供される。
蒸気タービン２５に導入された過熱蒸気および飽和蒸気は復水器３１によって復水され、高圧熱水配管系７を介して排熱回収熱水ボイラ５へ循環される。

以上のように、本実施の形態においては、分散している排熱源からの熱回収および回収熱の搬送を熱水によって行うようにしたので、蒸気で熱搬送する場合に比べて配管径が小さくて済み、回収熱を１箇所に集めて集中利用することが可能となる。
また、第１のフラッシャ２１によってフラッシュさせた蒸気（飽和蒸気）を加熱して過熱蒸気にして蒸気タービン２５に導入するようにしたので、蒸気タービン２５での動力回収量が増大し、効率が向上する。
さらに、飽和蒸気の加熱装置である燃料焚き過熱器１７に蓄熱式バーナーを適用したことにより、加熱に供された後の燃焼排ガスの熱エネルギーを回収・蓄熱して燃焼空気の予熱に利用するようにしたので、比較的高温の燃焼排ガスの熱回収を効率的に行うことができ、燃料焚き過熱器１７の燃料消費量を低減できる。
なお、上述した実施の形態では飽和蒸気発生手段は２段となっているが、３段以上としてももちろん良い。

［実施の形態２］
図２は本発明の他の実施の形態に係る排熱回収発電システム３３の系統図であり、図１と同一部分には同一の符号が付してある。以下、図２に基づいて本実施の形態を説明する。
本実施の形態においては、実施の形態１における燃料焚き過熱器１７に代えて飽和蒸気を圧縮して過熱蒸気を生成する蒸気圧縮機３５を設けたものである。なお、蒸気圧縮機３５の回転軸は蒸気タービン２５の回転軸と同軸で駆動される。

第１のフラッシャ１３で気液分離された飽和蒸気は蒸気圧縮機３５で断熱圧縮されて圧力と温度が高められて過熱蒸気となって蒸気タービン２５に導入される。
このように、蒸気圧縮機３５で飽和蒸気を圧縮して過熱蒸気とすることによって動力回収されるエネルギーが増大することになるが、その理由を以下説明する。

図３は蒸気圧縮機３５で飽和蒸気を圧縮して過熱蒸気とすることによって動力回収されるエネルギーが増大することの原理説明図である。図３においては、縦軸が比エンタルピ、横軸が比エントロピの座標面に飽和蒸気線（太い曲線）と蒸気タービン２５で許容される乾き度（制約下限乾き度）の蒸気線（細い曲線）を示している。

蒸気タービン２５に飽和蒸気を導入した場合、ａ１の比エンタルピを持つ飽和蒸気が、蒸気タービン２５で膨張して動力回収されてａ２の比エンタルピを持つ蒸気となる。このとき蒸気はａ１−ａ２＝Ａ（図３参照）のエネルギーを放出して動力として回収される。ここで、ａ２よりさらに低い比エンタルピまで動力回収しようとした場合、タービン出口蒸気の乾き度がさらに低下し、制約下限乾き度（例えば0.86）以下となってしまうため、好ましくない。
他方、飽和蒸気を蒸気圧縮機３５によって断熱圧縮して蒸気タービン２５に導入した場合、ａ１の比エンタルピを持つ飽和蒸気が断熱圧縮によってｂ１の比エンタルピを持つ蒸気とされて蒸気タービン２５に導入され、蒸気タービン２５で膨張して動力回収されてｂ２の比エンタルピを持つ蒸気となる。このとき蒸気はｂ１−ｂ２＝Ｂ（図３参照）のエネルギーを放出して動力として回収される。すなわち、蒸気タービン出口の制約下限乾き度が同じ（例えば0.86）でも、従来の出口比エンタルピａ２に比べてさらに低い出口比エンタルピｂ２まで動力を回収できることになる。
したがって、飽和蒸気を蒸気圧縮機３５によって断熱圧縮したことによって、蒸気圧縮機３５で圧縮するのに要するエネルギー：Ｃ（＝ｂ１−ａ１）を差し引いても、Ｂ−Ｃ−Ａ＝Ｄ（図３参照）だけ動力回収できるエネルギーが増加する。

増加する回収動力の大きさは蒸気圧縮機の圧力比（=吐出圧力/吸込圧力）によって変化する。そこで、蒸気圧縮機の圧力比をパラメータとして増加する回収動力量（軸出力比＝（Ａ＋Ｄ）／Ａ）を試算した。試算の結果を、軸出力比を縦軸にとり、蒸気圧縮機の圧力比（=吐出圧力/吸込圧力）を横軸にとってグラフ表示した図４に示す。
なお、試算に用いた蒸気圧縮機、導入する蒸気、蒸気タービンの各条件は以下の通りである。
(a)圧縮機
・圧縮機圧力比(=吐出圧力/吸込圧力)をパラメータ
・圧縮効率(指示効率)：0.8
(b)オリジナル蒸気： 200℃飽和
(c)蒸気タービン
・効率： 0.8
・許容乾き度：0.86

図４に示すように、蒸気圧縮機で飽和蒸気を圧縮した後、蒸気タービンに導入することにより、動力回収できるエネルギーが増大していることがわかる。また、蒸気圧縮機の圧力比が増大するにしたがって、軸出力比が増大していることが分かり、１０％以上動力回収できるエネルギーが増加している。

以上のように本実施の形態によれば、蒸気圧縮機３５を駆動するのに要するエネルギー以上のエネルギーを回収できる。
なお、蒸気圧縮機３５の駆動エネルギー以上に回収エネルギーが増大しているが、これはタービン出口蒸気のエネルギー状態（比エンタルピ）が低くなっているため、すなわち蒸気の保有エネルギーを低エネルギー状態まで利用できるようになったためであり、熱力学第一法則や第二法則に反しているわけではない。

また、第１のフラッシャ１３から導入される飽和蒸気を過熱蒸気とする手段として蒸気タービン２５と同軸で駆動する蒸気圧縮機３５を用いたので、過熱蒸気を生成するために外部から燃料や電力、動力を供給する必要が無く、過熱蒸気を得ることができる。
さらに、蒸気圧縮機３５で生成された過熱蒸気をそのまま蒸気タービン２５に導入しているので、例えば蒸気圧縮機で過熱蒸気を生成しその熱で飽和蒸気を過熱蒸気にして蒸気タービンに導入するような方式の場合に必要となる熱交換器などが必要ない。
なお、蒸気圧縮機３５は、本システムにおける最も高圧で比容積の小さな蒸気を圧縮するものであり、容積的にも小さなもので済む。

蒸気圧縮機３５は蒸気圧縮機３５の駆動開始時には、発電機２７をモータとして機能させて蒸気タービン２５のタービン軸を回転させることで蒸気圧縮機３５を駆動し、蒸気タービン２５の駆動が安定してから発電機に切り替えるようにしてもよい。
さらに、蒸気圧縮機３５を蒸気タービン２５による同軸駆動とせず、他の駆動手段、例えば電動モータ等で駆動するようにしてももちろん良い。

本発明の一実施の形態に係る排熱回収発電システムの系統図である。 本発明の他の実施の形態に係る排熱回収発電システムの系統図である。 本発明の他の実施の形態の原理説明図である。 本発明の他の実施の形態の効果を説明する説明図である。

符号の説明

１ 排熱回収発電システム、３ 小規模排熱源、５ 排熱回収熱水ボイラ、７ 高圧熱水配管系、１１ 第１の減圧弁、１３ 第１のフラッシャ、１５ 第１の飽和蒸気発生手段、１７ 燃料焚き過熱器、１９ 第２の減圧弁、２１ 第２のフラッシャ、２３ 第２の飽和蒸気発生手段、２５ 蒸気タービン、２７ 発電機、３３ 排熱回収発電システム、３５ 蒸気圧縮機。

Claims (3)

1. 分散した小規模排熱源から排出される排熱を熱水として回収する複数の排熱回収熱水ボイラと、該複数の排熱回収熱水ボイラで生成された熱水を一箇所に集める高圧熱水配管系と、減圧手段とフラッシャから成り前記熱水から飽和蒸気を発生させる飽和蒸気発生手段と、該飽和蒸気発生手段によって発生した飽和蒸気を過熱蒸気にする過熱蒸気生成手段と、該過熱蒸気発生手段によって生成された蒸気によって駆動する蒸気タービン発電機とを備え、
   前記過熱蒸気生成手段が、蒸気タービンと同軸で駆動される蒸気圧縮機であることを特徴とする排熱回収発電システム。
2. 分散した小規模排熱源から排出される排熱を熱水として回収する複数の排熱回収熱水ボイラと、該複数の排熱回収熱水ボイラで生成された熱水を一箇所に集める高圧熱水配管系と、減圧手段とフラッシャから成り前記熱水から飽和蒸気を発生させる飽和蒸気発生手段と、該飽和蒸気発生手段によって発生した飽和蒸気を過熱蒸気にする過熱蒸気生成手段と、該過熱蒸気発生手段によって生成された蒸気によって駆動する蒸気タービン発電機とを備え、
   前記過熱蒸気生成手段が、蓄熱式バーナを適用した燃料焚き過熱器であることを特徴とする排熱回収発電システム。
3. 前記飽和蒸気発生手段は多段式であり、蒸気タービンは混圧式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収発電システム。
   

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