(57)【要約】【課題】ボイラ等で発生した蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスラインと、蒸気プロセスラインに供給されなかった余剰蒸気を送気する余剰蒸気ラインとを有し、余剰蒸気ラインに発電装置が介設されたプロセス蒸気利用設備において、蒸気プロセスラインに供給される蒸気量によって変化する余剰蒸気の量に応じた発電ができる。【解決手段】廃熱ボイラ等の蒸気供給源２で発生する蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスライン４と、蒸気プロセスライン４から分岐し、余剰蒸気を大気放出又は復水器に供給する余剰蒸気ライン５と、余剰蒸気ライン５に並列に介設された圧力調整弁６と発電装置９と、圧力調整弁６の一次側に設けられた圧力検出器７と、圧力検出器７の検出した圧力が設定圧力値となるように圧力調整弁６の開度を制御する制御手段１０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃熱ボイラ等の蒸気供給源で発生する蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスラインと、
前記蒸気プロセスラインから分岐し、余剰蒸気を大気放出又は復水器に供給する余剰蒸気ラインと、
前記余剰蒸気ラインに並列に介設された圧力調整弁と発電装置と、
前記圧力調整弁の一次側に設けられた圧力検出器と、
前記圧力検出器の検出した圧力が設定圧力値となるように前記圧力調整弁の開度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする発電設備。
【請求項２】
前記発電装置が、蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、
前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、
前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電設備。
【請求項３】
前記圧力調整弁における前記設定圧力値より、前記発電装置における給気圧力の目標値のほうが、小さくなるように設定されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に示すように、従来、産廃ボイラやコージェネ廃熱ボイラ等の蒸気供給源７１で発生する蒸気を所定のプロセスのために減圧弁７２で減圧して所望の圧力のプロセス蒸気を供給する蒸気プロセスライン７３と、その蒸気プロセスライン７３から分岐して、蒸気プロセスライン７３に供給されなかった余剰蒸気を送気する余剰蒸気ライン７４とが並列に設けられたプロセス蒸気利用設備７５が知られている。
【０００３】
なお、このプロセス蒸気利用設備７５では、蒸気供給源７１と、蒸気プロセスライン７３と余剰蒸気ライン７４の分岐箇所との間の蒸気プロセスライン７３に、圧力検出器７８が設けられ、また余剰蒸気ライン７４に圧力調整弁８０が設けられている。圧力検出器７８で検出された圧力値に応じて制御装置７９により、蒸気プロセスライン７３のプロセス蒸気供給量の変動による系内の圧力変動を抑制するために、圧力調整弁８０が制御される。制御装置７９には圧力調整弁８０の設定圧力値を入力するコンソール８１が接続されている。
【０００４】
本願出願人は、排気圧力一定制御の発電装置を提案している（特願２００７−４７４１号）。その排気圧力一定制御の発電装置（発電装置７７）を、図５に示すように、従来の蒸気利用設備７５の余剰蒸気ライン７４に介設することにより、余剰蒸気を利用した発電が可能となる。
【０００５】
蒸気供給源７１で発生する蒸気量は、プロセスで使用する蒸気量とは無関係であり、必ず余剰蒸気が発生する（全てが余剰蒸気の場合もある）。この余剰蒸気は、サイレンサ（図示せず）を介して大気に放出されるか、大気圧復水器（図示せず）に流入させて大気圧の水にしてしまうことがほとんどであるが、発電設備７６の使用により、この余剰蒸気を利用した発電ができる。
【０００６】
この排気圧力一定制御の発電装置７７は、余剰蒸気ライン７４から分岐して再び合流する発電ライン８２に、余剰蒸気ライン７４に設けられた圧力調整弁８０と並列となるように介設されている。発電装置７７は、スクリュ膨張機８３と、スクリュ膨張機８３の回転軸に接続された同期式の発電機８４とを有している。排気圧力一定制御の発電装置７７は、発電ライン８２からスクリュ膨張機８３に高圧蒸気が供給され、スクリュ膨張機８３で高圧蒸気を膨張させて回転力に変換し、その回転力により発電機８４で発電している。
【０００７】
発電機８４には、回転数制御機能及び電源回生機能を有するコンバータ８５が接続されている。コンバータ８５には、スクリュ膨張機８３の吐出口８６付近に設けられた排気圧力検出器８７で検出された検出値によりコンバータ８５を制御する制御装置８８が接続されている。コンバータ８５には、電源回生機能付きインバータ８９が接続されている。発電装置７７は、連係変圧器９０を介して電力系統９１に接続されている。
【０００８】
この排気圧力一定制御の発電装置７７で発電させる場合、余剰蒸気のエネルギーを電力に変換して最大限に回収するためには、低圧側（２次側）はほぼ大気圧に固定されることになる。排気圧力一定制御の発電装置７７では、余剰蒸気の放出先の圧力よりも高い圧力を排気圧力の目標値として設定し運転しなければならないが、どれだけ回転数を上げて排気圧力の目標値まで上昇させようとしても、排気圧力一定制御の発電装置７７の２次側が大気圧又はそれに近い圧力の環境に導かれているために上昇させることはできず、排気圧力一定制御の発電装置７７は最高回転数での運転、すなわち最大呑み込み量での運転を余儀なくされてしまう。このため、余剰蒸気が排気圧力一定制御の発電装置７７の最大呑み込み量（最高回転数での蒸気通過量）以上ある場合でなければ、発電設備７６を停止させることにつながるために運転させることができなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ボイラ等で発生した蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスラインと、蒸気プロセスラインに供給されなかった余剰蒸気を送気する余剰蒸気ラインとを有し、余剰蒸気ラインに発電装置が介設されたプロセス蒸気利用設備において、蒸気プロセスラインに供給される蒸気量によって変化する余剰蒸気の量に応じた発電ができる発電設備を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、本発明の発電設備は、廃熱ボイラ等の蒸気供給源で発生する蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスラインと、前記蒸気プロセスラインから分岐し、余剰蒸気を大気放出又は復水器に供給する余剰蒸気ラインと、前記余剰蒸気ラインに並列に介設された圧力調整弁と発電装置と、前記圧力調整弁の一次側に設けられた圧力検出器と、前記圧力検出器の検出した圧力が設定圧力値となるように前記圧力調整弁の開度を制御する制御手段と、を備えるようにしている。
【００１１】
この構成によれば、蒸気供給源で発生する蒸気を蒸気プロセスラインにより、所定のプロセスのために供給することができ、その余剰蒸気を蒸気プロセスラインから分岐する余剰蒸気ラインにより大気放出または復水器に供給することができる。圧力調整弁の一次側に圧力検出器を設け、圧力検出器の検出した圧力が設定圧力値となるように制御手段が圧力調整弁の開度を制御することにより、余剰蒸気ラインの余剰蒸気の圧力を制御することができる。
【００１２】
前記発電装置が、蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、を備えることが好ましい。この構成によれば、容積式スチームエキスパンダが余剰蒸気ラインの余剰蒸気の吸い込み量に対応する回転数で運転できるように、容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機の運転周波数を発電機運転周波数設定手段により設定でき、発電を行うことができる。
【００１３】
前記圧力調整弁における前記設定圧力値より、前記発電装置における給気圧力の目標値のほうが、小さくなるように設定されてなることが好ましい。この構成により、圧力調整弁よりも発電装置側に優先的に余剰蒸気が流れるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイラ等で発生した蒸気を所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスラインと、蒸気プロセスラインに供給されなかった余剰蒸気を送気する余剰蒸気ラインとを有し、余剰蒸気ラインに発電装置が介設されたプロセス蒸気利用設備において、蒸気プロセスラインに供給される蒸気量によって変化する余剰蒸気の量に応じた発電ができる。
【００１５】
圧力調整弁よりも発電装置側に優先的に余剰蒸気を流すことができ、無駄の無い発電が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に、本発明の第１実施形態の発電設備１を示す。産廃ボイラやコージェネ廃熱ボイラ等で発生する蒸気が供給される蒸気供給源２が設けられている。蒸気供給源２で発生する蒸気を減圧弁３を介して所定のプロセスのために供給する蒸気プロセスライン４が設けられている。余剰蒸気を大気放出又は復水器に供給する余剰蒸気ライン５は、蒸気プロセスライン４から分岐して設けられている。余剰蒸気ライン５には、圧力調整弁６が設けられている。蒸気供給源２と、蒸気プロセスライン４と余剰蒸気ライン５の分岐箇所との間の蒸気プロセスライン４には、圧力検出器７が設けられている。余剰蒸気ライン５の圧力調整弁６の上流側から分岐して圧力調整弁６の下流側で合流する発電ライン８が設けられている。発電ライン８には、発電装置９が設けられている。圧力調整弁６を制御する制御装置（制御手段）１０が設けられている。制御装置１０には、圧力調整弁６の目標圧力Ｐｔａを入力するコンソール１１が接続されている。
【００１８】
発電装置９は、容積式スチームエキスパンダの一種であるスクリュ膨張機１２と、スクリュ膨張機１２の回転軸に接続された同期式の発電機１３を有している。スクリュ膨張機１２の給気側の発電装置９の内部には給気圧力検出器１４が設けられている。発電機１３には、回転数制御機能及び電力回生機能を有するコンバータ１５が接続されている。発電装置９の内部には、給気圧力検出器１４で検出された検出値によりコンバータ１５を制御する制御装置１６が設けられている。制御装置１６では、給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂを設定することができるようになっている。本実施形態において、給気圧力検出器１４、制御装置１６及びコンバータ１５は、発電機運転周波数設定手段の役割を担う。コンバータ１５には、インバータ１７が接続されている。発電装置９のインバータ１７と、電力系統１８は連係変圧器１９を介して接続されている。
【００１９】
次に、本発明の第１実施形態の発電設備１の動作について説明する。蒸気供給源２から所定のプロセスのために必要とされる量の蒸気が蒸気プロセスライン４に供給され、蒸気プロセスライン４に供給されなかった余剰蒸気は、余剰蒸気ライン５に送気される。その余剰蒸気は、余剰蒸気ライン５の圧力調整弁６と、圧力調整弁６と並列に介設された発電装置９のいずれか一方又は両方を互いの流路での圧力差に応じて通過し、余剰蒸気ライン５から大気放出又は復水器（図示せず）若しくは低圧蒸気の供給口（図示せず）に供給される。
【００２０】
発電装置９では、余剰蒸気である高圧蒸気をスクリュ膨張機１２の吸込口（図示せず）に給気し、高圧蒸気を膨張させて回転力に変換し、高圧蒸気は低圧蒸気となってスクリュ膨張機１２の吐出口（図示せず）から排気される。
【００２１】
スクリュ膨張機１２の回転軸は発電機１３の回転子（図示せず）と接続されているので、スクリュ膨張機１２のスクリュロータ（図示せず）と発電機１３の回転子（図示せず）は常に同じ回転数で回転する。発電機１３では、スクリュ膨張機１２の回転力により、発電機１３の回転子（図示せず）が回転させられ、同期式の発電機１３は回転子（図示せず）の回転数に同期した周波数の交流電力を発電する。
【００２２】
発電機１３の出力はコンバータ１５に入力され、直流に変換された後、インバータ１７に出力される。インバータ１７は、コンバータ１５の出力を半導体によってスイッチングして所望の周波数（商用周波数）の交流電流に変換する。その電力は連係変圧器１９を介して電力系統１８に導出される。
【００２３】
余剰蒸気のエネルギーを発電機１３で発電された電力という形でより多く回収するためには、余剰蒸気を発電装置９側へ優先的に通過させるようにする。具体的には、蒸気プロセスライン４の圧力検出器７で検出された検出値に応じて、余剰蒸気ライン５の圧力値が圧力調整弁６の設定圧力値（例えば０．８ＭＰａ）となるように制御装置１０が圧力調整弁６の開度を制御し、圧力調整弁６の設定圧力値に対して、スクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓの目標圧力値Ｐｔｂ（例えば０．７８ＭＰａ）の方が低くなるように設定することにより、余剰蒸気が相対的に低圧側へ流れるように制御する。そのようにすることにより、余剰蒸気を優先的に発電装置９側へ通過させることができる。
【００２４】
発電装置９では、スクリュ膨張機１２が回転力を発生すれば、発電機１３の回転子（図示せず）が回転して発電し、逆に、発電機１３の回転子（図示せず）が回転すれば、スクリュ膨張機１２に給気される蒸気が吸い込まれる。
【００２５】
スクリュ膨張機１２は容積式スチームエキスパンダの一種であるので、スクリュ膨張機１２の蒸気吸込量はスクリュ膨張機１２のスクリュロータ（図示せず）の回転数に比例する。すなわち、スクリュロータ（図示せず）の回転数を低下させれば、その回転数の低下に対応して蒸気吸込量を少なくし、スクリュロータ（図示せず）の回転数を上昇させれば、その回転数の上昇に対応して蒸気吸込量を多くする。それゆえに、スクリュロータ（図示せず）の回転数を緻密に制御することにより、蒸気吸込量を正確に決定し、結果として給気圧力を緻密に制御することができる。
【００２６】
スクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓが給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂとなるようにするために、発電装置９のコンバータ１５が有する回転数制御機能により発電機１３の回転子（図示せず）の回転数を制御し、発電機１３の回転子（図示せず）に接続されているスクリュロータ（図示せず）の回転数の制御を行っている。
【００２７】
具体的には、スクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓは給気圧力検出器１４で検出され、電気信号に変換して制御装置１６に入力される。制御装置１６は予め設定された給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂにより給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂに対する偏差を演算し、コンバータ１５の設定周波数に対して正のフィードバックをかけるようになっている。例えば、制御装置１６は、給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂに対する偏差（Ｐｓ−Ｐｔｂ）の値と、偏差（Ｐｓ−Ｐｔｂ）の積分値と、偏差（Ｐｓ−Ｐｔｂ）の微分値とを、コンバータ１５の設定周波数に加算するＰＩＤ制御を行う。制御装置１６は、スクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓが給気圧力Ｐｓの目標圧力ＰｔｂとなるようにＰＩＤ制御で演算された新たな出力周波数をコンバータ１５へ送信し、コンバータ１５は、コンバータ１５によって任意の周波数に変換された電流を発電機１３に入力し、発電機１３の回転子（図示せず）の回転数を変更する。
【００２８】
上述のＰＩＤ制御により、コンバータ１５の設定周波数ひいては発電機側周波数が変更され、スクリュ膨張機１２は給気圧力Ｐｓの増減に対応して蒸気の吸い込み量を増減させる。このようにして、給気圧力Ｐｓが給気圧力Ｐｓの目標圧力Ｐｔｂに維持できるように制御すれば、供給される余剰蒸気の量に増減があっても、その量に応じてスクリュ膨張機１２の吸込量を変化させることにより無駄の無い発電が実現できる。
【００２９】
さらに、図２に、本発明の第２実施形態の発電設備１を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態において、発電装置９には、第１実施形態における給気圧力検出器１４及び制御装置１６は設けられていない。本実施形態においては、制御装置１０に制御されるコンバータ１５が、発電機運転周波数設定手段の役割を担う。
【００３０】
本実施形態において、制御装置１０には、圧力検出器７で検出された検出値が入力される。その検出値に基づいて、圧力調整弁６の開度と発電機側周波数が制御される。
【００３１】
第１実施形態では、圧力調整弁６の設定圧力値と、発電装置９におけるスクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓの目標圧力値Ｐｔｂとを制御するのに、それぞれに圧力検出器７，１４及び制御装置１０，１６を設ける必要があるのに対して、第２実施形態では、単一の圧力検出器７及び単一の制御装置１０のみを設けるだけで良い。また、第１実施形態では、それぞれに圧力検出器７，１４及び制御装置１０，１６を設けているので、圧力検出器７，１４の検出値の誤差に起因する連携動作不良をなくすためにも、圧力差を設ける必要があるが、第２実施形態では単一の圧力検出器７及び単一の制御装置１０のみで発電設備１を制御するので、連携動作不良が発生する問題はない。第１実施形態では、圧力調整弁６の設定圧力値と発電装置９におけるスクリュ膨張機１２の給気圧力Ｐｓの目標圧力値Ｐｔｂには必ず圧力差を設定する必要があるため、その圧力差により２次側での圧力変動が生じてしまい、余剰蒸気の２次側での使用に際して不都合が生じる可能性がある。これに対して、第２実施形態では単一の圧力検出器７及び単一の制御装置１０のみで制御するので圧力差を設ける必要がなく、２次側での圧力変動が生じないというメリットがある。
【００３２】
なお、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。例えば、図３に示すように、蒸気供給源２の蒸気の圧力が比較的高い場合（例えば１．９ＭＰａ）、余剰蒸気ライン５から発電ライン８が分岐する位置よりも上流の余剰蒸気ライン５に更に圧力調整弁２０を追加することが望ましい。この場合も、圧力調整弁２０の上流の余剰蒸気ライン５に圧力検出器２１を設け、比較的高い圧力の蒸気が圧力調整弁６及び発電装置９に直接接触しないように圧力調整弁２０を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態の発電設備を示す概略図。
【図２】本発明の第２実施形態の発電設備を示す概略図。
【図３】本発明の別の実施形態の発電設備を示す概略図。
【図４】従来の蒸気利用設備を示す概略図。
【図５】従来の発電設備を示す概略図。
【符号の説明】
【００３４】
１  発電設備
２  蒸気供給源
３  減圧弁
４  蒸気プロセスライン
５  余剰蒸気ライン
６  圧力調整弁
７  圧力検出器
８  発電ライン
９  発電装置
１０  制御装置（制御手段）
１１  コンソール
１２  スクリュ膨張機（容積式スチームエキスパンダ）
１３  発電機
１４  給気圧力検出器
１５  コンバータ
１６  制御装置
１７  インバータ
１８  電力系統
１９  連係変圧器
２０  圧力調整弁
２１  圧力検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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