(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体空気製造プラントと、同液体空気製造プラントからの液体空気を気化させて得られた圧縮空気で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを駆動する圧縮空気貯蔵利用プラントと、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントとを備え、前記液体空気製造プラントの空気圧縮機のクーラを出た冷却水を前記複合発電プラントの排熱回収ボイラに供給する流路を設けたことを特徴とする液体空気利用発電設備。
【請求項２】
前記液体空気で前記複合発電プラントの吸い込み空気を冷却することを特徴とする請求項１記載の液体空気利用発電設備。
【請求項３】
前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する液体空気を前記複合発電プラントの排熱回収ボイラからの蒸気で加熱することを特徴とする請求項１記載の液体空気利用発電設備。
【請求項４】
前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する液体空気を前記圧縮空気貯蔵利用プラントの排熱を利用して加熱することを特徴とする請求項１記載の液体空気利用発電設備。
【請求項５】
前記液体空気の冷熱を超電導システムに利用することを特徴とする請求項１記載の液体空気利用発電設備。
【請求項６】
前記液体空気の冷熱を冷凍・冷熱システムに利用することを特徴とする請求項１記載の液体空気利用発電設備。
【請求項７】
前記液体空気の冷熱を氷蓄熱装置に利用するとともに同氷蓄熱装置の冷水で前記複合発電プラントの吸い込み空気を冷却することを特徴とする請求項２記載の液体空気利用発電設備。
【請求項８】
液体空気製造プラントと、同液体空気製造プラントからの液体空気を気化させて得られた圧縮空気で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを駆動する圧縮空気貯蔵利用プラントと、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントとを備え、前記液体空気を前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する前に超電導システムおよび冷凍・冷熱システムへ供給する流路を設けたことを特徴とする液体空気利用発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体空気の冷熱を扱う液体空気利用プラントの圧縮機温熱とコンバインドサイクル（以下Ｃ／Ｃと記す）系排熱回収ボイラ（以下ＨＲＳＧと記す）の複合を図ったシステム構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の圧縮空気貯蔵発電システム（以下ＣＡＥＳと記す）プラントの一例を示すシステム構成図、図８は従来の液体空気プラントとＣＡＥＳプラントの組合わせの一例を示すシステム構成図である。
【０００３】
図７のシステムにおいては、電力需要の少ない夜間に圧縮機（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）を駆動して高圧空気を空洞（ＣＡＶ）を貯え、昼間にこの圧縮空気を取り出して燃料（ｆ）を燃焼させ、その燃焼ガスでガスタービン（Ｔ１）、（Ｔ２）を駆動して発電機（ＧＥＮ３）によって電力を得る。図示例ではタービンと圧縮機を別軸としているが、（Ｃ３）−（Ｃ２）−（Ｃ１）−（ＳＳ１）−（Ｍ／Ｇ）−（ＳＳ２）−（Ｔ1 ）−（Ｔ2 ）の同軸配列も使用される。（（ＳＳ１）、（ＳＳ２）は自動嵌脱装置、（Ｍ／Ｇ）は発電電動機）
図８の例は圧縮機（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）を駆動して液体空気となし、一旦これを液体空気貯蔵タンク（ＴＫ）に貯え、発電時にこの液体空気を再生器（ＲＥ）で高圧空気となし、燃料（ｆ）の燃焼に供して、その燃焼ガスでタービン（Ｔ1 ）、（Ｔ2 ）、更に発電機（ＧＥＮ３）を駆動して電力を得るシステムである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来のＣＡＥＳ或いは従来の液体空気・ＣＡＥＳにおいては、圧縮機を駆動した発生熱は冷却塔で大気放出するか、またはクーラーで海水放出するかしていた。これ等はいずれも熱損失であり、圧縮機動力が大きいだけに熱損失も相応に大きい。
【０００５】
また液体空気（−１７０℃前後）の深冷冷熱をＣＡＥＳ空気用として単に気化・加熱させるだけでは、多量の加熱量が必要となり、エクセルギー的には無駄が多い。もし冷熱が必要な機器・システムをＣＡＥＳまでの間の経路に配列して、順次温度の低いものからカスケード利用すれば、機器・システム側の冷熱源が一部節約され、本システム側では加熱熱量が低減できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記従来の課題を解決するために、次の１）〜８）に示す液体空気利用発電設備を提案するものである。
【０００７】
１）液体空気製造プラントと、同液体空気製造プラントからの液体空気を気化させて得られた圧縮空気で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを駆動する圧縮空気貯蔵利用プラントと、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントとを備え、前記液体空気製造プラントの空気圧縮機のクーラを出た冷却水を前記複合発電プラントの排熱回収ボイラに供給する流路を設けたことを特徴とする液体空気利用発電設備。
【０００８】
２）前記液体空気で前記複合発電プラントの吸い込み空気を冷却することを特徴とする前記１）に記載の液体空気利用発電設備。
【０００９】
３）前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する液体空気を前記複合発電プラントの排熱回収ボイラからの蒸気で加熱することを特徴とする前記１）に記載の液体空気利用発電設備。
【００１０】
４）前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する液体空気を前記圧縮空気貯蔵利用プラントの排熱を利用して加熱することを特徴とする前記１）に記載の液体空気利用発電設備。
【００１１】
５）前記液体空気の冷熱を超電導システムに利用することを特徴とする前記１）に記載の液体空気利用発電設備。
【００１２】
６）前記液体空気の冷熱を冷凍・冷熱システムに利用することを特徴とする前記１）に記載の液体空気利用発電設備。
【００１３】
７）前記液体空気の冷熱を氷蓄熱装置に利用するとともに同氷蓄熱装置の冷水で前記複合発電プラントの吸い込み空気を冷却することを特徴とする前記２）に記載の液体空気利用発電設備。
【００１４】
８）液体空気製造プラントと、同液体空気製造プラントからの液体空気を気化させて得られた圧縮空気で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを駆動する圧縮空気貯蔵利用プラントと、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントとを備え、前記液体空気を前記圧縮空気貯蔵利用プラントへ供給する前に超電導システムおよび冷凍・冷熱システムへ供給する流路を設けたことを特徴とする液体空気利用発電設備。
【００１５】
本発明は前記の手段を講じるので、ガスタービンの吸気冷却と氷蓄熱および液体貯蔵による時間差運用とにより、液体空気と発電プラントのエネルギー損失が著しく減少し、プラントの出力・効率が向上するとともに、経済的にも有利となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の第１の形態の構成を示す系統図である。この実施形態は、液体空気プラント（−１７０℃前後）と、常温超電導システム（−１００℃〜１７０℃前後）と、冷凍冷熱システムプラント（−１００℃〜−１０℃）と、Ｃ／Ｃプラント（−１０℃〜０℃）と、ＣＡＥＳプラント（０℃以上）とから構成されたトータルシステムプラントの基本である。
【００１７】
液体空気プラントから供給する液体空気は、最下流のＣＡＥＳで必要とする空気圧力が得られるようポンプで昇圧して送り出す。また（ＧＥＮ）、（ＧＴ）、（ＳＴ）他の超電導磁気軸受回転体（ＳＵＧ）、高温超電導磁気軸受電力貯蔵用フライホイルシステム（ＦＷ）、冷凍庫（ＣＳ）、冷凍機冷媒冷却器（ＲＣ）で適宜使用した液体空気（ｃａ１）を吸気冷却器（ＨＸ）に通してガスタービンの吸気冷却を行なうが、符号（ｃａ２）で示されるように、直接噴射して冷却することもできる。
【００１８】
本実施形態は、液体空気プラントからＣ／Ｃプラントまでの区域で液体空気の顕熱・潜熱を利用することを基本とするが、ＣＡＥＳプラントの空気昇温器（ＨＸ３）では燃焼器（ＣＣ２）へ送気する温度まで加熱する。その熱源に蒸気を使うときは、ＣＡＥＳプラントあるいはＣ／Ｃプラントの排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）から一部の蒸気を取出して用いることとする。
【００１９】
なお本実施形態において、ＣＡＥＳプラントの燃焼器（ＣＣ２）は有っても無くてもよい。また液体空気プラントの圧縮機（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）とＣＡＥＳプラントのタービン（Ｔ1 ）、（Ｔ2 ）は、前記図７の説明中で述べたと同様に、一軸構成としてもよい。
【００２０】
次に図２は本発明の実施の第２の形態の構成を示す系統図である。この実施形態は前記第１の実施形態の改善バリエーションである。
【００２１】
本実施形態においても前記第１の実施形態と同様、液体空気プラントから供給する液体空気は、最下流のＣＡＥＳで必要とする空気圧力が得られるようポンプで昇圧して送り出す。また超電導磁気軸受回転体（ＳＵＧ）、高温超電導磁気軸受電力貯蔵用フライホイルシステム（ＦＷ）、冷凍庫（ＣＳ）、冷凍機冷媒冷却器（ＲＣ）で適宜使用した液体空気（ｃａ１）を吸気冷却器（ＨＸ）に通してガスタービンの吸気冷却を行なうが、符号（ｃａ２）で示されるように、直接噴射して冷却することもできる。但し本実施形態では、液体空気の冷熱の利用方法として、氷蓄熱装置（ＰＩＣ）による氷蓄熱も可能である。
【００２２】
本実施形態では、液体空気プラント内の圧縮機（Ｃ１）〜（Ｃ３）の空気冷却器（ＩＣ１）、（ＩＣ２）、（ＡＦ）で回収する熱量をＣ／Ｃプラントの蒸気発生増加に活用する。
【００２３】
本実施形態ではまた、ＬＮＧ熱交換器（ＬＮＸ）でＬＮＧ気化冷熱を回収した冷水（ＣＷ１）および冷凍機（ＲＥＦ）からの冷水（ＣＷ２）を吸気予冷器（ＰＣ）に使用して、吸気冷却器（ＨＸ）の負荷計画に自由度をもたせる。更に氷蓄熱装置（ＰＩＣ）からの冷水（ＣＷ３）も活用する。
【００２４】
本実施形態のＣＡＥＳプラント内で液体空気の昇温を行なうには、Ｃ／ＣプラントのＨＲＳＧからの蒸気を用いる空気昇温熱交換器（ＨＸ１）、ガスタービンＴ2 の排気（ｇ）で加熱する再生器（ＲＥ）、更に昇温する空気予熱器（ＨＸ２）を利用する。
【００２５】
次に本実施形態のシステム構成のバリエーションについて述べると、燃焼器（ＣＣ２）は、有っても無くてもいずれでもよい。
【００２６】
また吸気予熱器（ＰＣ）は有っても無くてもいずれでもよい。吸気予熱器（ＰＣ）が有るときは、冷水（ＣＷ１）、（ＣＷ２）、（ＣＷ３）は任意に組合わせる。また燃料（ｆ1 ）、（ｆ2 ）、（ｆ3 ）はＬＮＧ気化ガス以外の燃料でもよい。この場合、ＬＮＧ熱交換器（ＬＮＸ）、吸気予熱器（ＰＣ）は不要となる。
【００２７】
液体空気（ｃａ２）は低温空気を圧縮機（Ｃ）の入口で直接噴射して冷却を行なってもよく、また無くてもよい。熱交換器（ＨＸ１）、（ＨＸ２）は、いずれか一方あるいは両方を使用してもよいし、無くてもよい。
【００２８】
噴射用蒸気（Ｓ3 ）は、供給空気の昇温を更に行なう場合に使用するが、無くてもよい。
【００２９】
復水（Ｗ１）および加熱水または蒸気（Ｗ２）は、液化プラント稼動時の圧縮機吐出空気の冷却熱を回収し、ＨＲＳＧの蒸気、温水増量に活用する。
【００３０】
また氷蓄熱装置（ＰＩＣ）と空気予冷器（ＰＣ）とを合体することもできる。すなわち空気予冷器（ＰＣ）に液体空気（ｃａ）を投入して氷を蓄熱させるので、冷水（ＣＷ３）の循環が不要となる。
【００３１】
空気予冷器（ＰＣ）〜空気予熱器（ＨＸ）の上流・下流の関係は任意に設定できるので図示例と逆の配置でもよい。
【００３２】
図３は本発明の実施の第３の形態の構成を示す系統図である。本実施形態も前記第１の実施形態の改善バリエーションである。
【００３３】
なおシステム構成のバリエーションは、ＣＡＥＳプラントのガスタービン排熱を蒸気に回収しＣ／Ｃ系蒸気と調整して必要量を空気昇温器（ＨＸ３）へ投入する。これにより、加熱源の統一で温度制御、操作性を向上するとともに熱交換器の数を低減することができる。
【００３４】
図４は本発明の実施の第４の形態の構成を示す系統図である。本実施形態も前記第１の実施形態の改善バリエーションである。
【００３５】
本実施形態においては、液体空気（ｃａ）を冷水熱交換器（ＨＸ４）で冷水とし、プラント系内冷却、プロセス冷却（隣接工場）、地冷エネルギーセンター（または個別ビル他）に利用する。この場合、液体空気（ｃａ）そのものを地冷エネルギーセンターに送り、冷水・冷空気を利用することもできる。また液体空気（ｃａ）を直接工場で各種冷熱源として使うこともできる。
【００３６】
液体空気プラントからＣ／Ｃへ送られる符号（Ｗ２）は蒸気でも熱水でも良く、トータルシステムのバランスで自由に条件を決める。
【００３７】
また、熱交換器（ＨＸ５）、（ＨＸ６）で循環水の冷却および温排水の解消を行なう。そのように循環水を冷却することにより、復水器真空を増加して蒸気タービン（ＳＴ）の出力を増加させるとともに、海生生物の活動を抑制して生物付着を低減させることができる。また熱交換器（ＨＸ６）における温排水冷却は環境対策としても好ましく、エネルギー的には復水の凝縮潜熱を液体空気の顕熱あるいは潜熱に回収利用して、システムロスを低減することができる。
【００３８】
図示例では吸気冷却器（ＨＸ）と熱交換器（ＨＸ４）、（ＨＸ５）、（ＨＸ６）の組とが直列に配置されているが、これら熱交換器類（ＨＸ）、（ＨＸ４）、（ＨＸ５）、（ＨＸ６）を全て並列にして統合した気化空気を再生器（ＲＥ）に投入することもできる。
【００３９】
図５は本発明の実施の第５の形態の構成を示す系統図である。
【００４０】
本実施形態では、蒸気ヘダ（ＨＳ）と給水ヘダ（ＨＷ）が、それぞれ容器・配管他貯留部を含め、各システムの連係の中央に設けられて、流体の出／入を統合している。またＣＡＥＳプラントとしては、再生器（ＲＥ）を使用する場合と排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を使用する場合の２通りを例示した。タービン部は（燃焼器−タービン）の構成を例示しているが、型式は自由に構成できる。
【００４１】
図６は本発明の実施の第６の形態の構成を示す系統図である。この実施形態では、液体空気プラントでエアクーラ冷却熱を熱水（Ｗ２）に回収するとき、その熱水は（Ｗ１″）を経由して排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の給水加熱に寄与するようになっている。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００４３】
（１）  省エネルギー
(1-1)  夜間の圧縮機冷却熱（２００〜３００℃）を発電プラントの蒸気発生増加に活用すれば、Ｃ／Ｃプラントの蒸気タービン出力を増加されることができる。
(1-2)  液体空気蒸発・加熱のための交換熱でガスタービンの吸気を冷却することができる。
(1-3)  冷熱のカスケード利用を図ることができる。すなわち低温の順に常温超電導、冷媒冷却、ガスタービン吸気、ＣＡＥＳで液体空気の温度を利用できる。
【００４４】
（２）  経済性
(2-1)   ＣＡＥＳの夜間圧縮動力に見合った動力で空気の液化ができる上、ＣＡＥＳとしては新たな動力の消費はない。
(2-2)   Ｃ／Ｃ構成においては、発電電力が増加する。すなわち、夜間は蒸気増加により蒸気タービンの出力が増加する。また昼間は、吸気冷却により吸込空気が増加し、ガスタービンと蒸気タービンの両方の出力が増加する。
【００４５】
（３）  各プラントの性能向上
(3-1)   液体空気を所望の圧力に昇圧するポンプ（Crio Pump)は、常用ＣＡＥＳ４０〜８１ata の変圧に対して、８１ata 超える定圧を得ることができ、ＣＡＥＳの高圧タービンの膨張比を高くとることができる。
(3-2)   液体空気の冷熱（−１７０℃程度）を深冷利用するために常温超電導機器を作動させることができる。
(3-3)   Ｃ／Ｃプラントとの熱の複合利用ができる。すなわち、
▲１▼液体空気のプラントの圧縮熱      …  入熱（蒸気発生増加）
▲２▼ＣＡＥＳ送気の蒸気加熱・蒸気投入…  出熱（ＣＡＥＳ燃料節約）
▲３▼ＬＮＧの気化熱・顕熱            …  出熱（吸気冷却）
(3-4)   冷熱の貯蔵による時間差冷却・任意冷却ができる。具体的には液体空気のタンク貯蔵、氷蓄熱で対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態の構成を示す系統図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施形態の構成を示す系統図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施形態の構成を示す系統図である。
【図４】図４は本発明の第４の実施形態の構成を示す系統図である。
【図５】図５は本発明の第５の実施形態の構成を示す系統図である。
【図６】図６は本発明の第６の実施形態の構成を示す系統図である。
【図７】図７は従来の圧縮空気貯蔵発電システム（ＣＡＥＳ）の一例を示す系統図である。
【図８】図８は従来の液体空気プラントとＣＡＥＳプラントの組合わせの一例を示す系統図である。
【符号の説明】
ＣＡＶ            空洞（あるいは空気貯蔵タンク）
ＷＡＣ            冷却器または冷却塔
ｐａ              貯蔵用圧縮空気（夜間）
ｇａ              発電用送気空気（昼間）
GEN1,2,3          発電機
Ｔ1,Ｔ2,Ｔ        タービン
ＲＥ              再生器
STICK1,2          煙突
ＧＴ              ガスタービン
ＳＴ              蒸気タービン
ＦＲ              吸気室
ＨＸ              吸気冷却器
ＣＯＮＤ          復水器
ＨＲＳＧ          排熱回収ボイラ
C,C1, C2, C3      圧縮機
Ｍ                電動機
IC1,IC2,AF        空気冷却器
CC1,CC2,CC3       燃焼器
ＴＫ              液体空気タンク
ＳＵＧ            超電導磁気軸受回転体(GEN、GT、ST他)
ＦＷ              高温超電導磁気軸受電力貯蔵用フライホイルシステム
ＣＳ              冷凍庫
ＲＳ              冷凍機冷媒冷却器
Ｐ                昇圧ポンプ
ａ                吸気
ｆ                燃料
ｇ                ガスタービン
ca,ca1,ca2        液体空気
Ｗ１，Ｗ２        冷却水
Ｓ                蒸気
ＨＸ１            空気昇温熱交換器
ＨＸ２            空気予熱器
ＰＣ              吸気予冷器
ＬＮＸ            ＬＮＧ熱交換器
ＲＥＦ            冷凍機
ＰＩＣ            氷蓄熱装置
Ｓ2               加熱用蒸気
Ｓ3               噴射用蒸気
Ｗ３              Ｓ2 ，Ｓ3 の凝縮水
ｆ0               ＬＮＧ気化ガス
ｆ1               ＧＴ用燃料
ｆ2               高圧燃焼器用燃料
ｆ3               低圧燃焼器用燃料
CW,CW1, CW2 CW3   冷水
Ｗ1               復水
Ｗ2               加熱水または蒸気
Ｗ3               凝縮水
ＨＸ３            空気昇温器（全加熱を蒸気で）
Ｓ4               加熱用蒸気
Ｗ4               凝縮水
ＨＸ４            冷水熱交換器
HX5,HX6           熱交換器
ＨＳ              蒸気ヘダ
ＨＷ              給水ヘダ
ＳＬ              低圧蒸気
ＳＬＬ            低圧タービン蒸気
ＳＰ              プロセス・エネルギセンタ等払出蒸気
ＳＷ              プロセスもどり復水
【図１】
0003696931.tif 000002
【図２】
0003696931.tif 000003
【図３】
0003696931.tif 000004
【図４】
0003696931.tif 000005
【図５】
0003696931.tif 000006
【図６】
0003696931.tif 000007
【図７】
0003696931.tif 000008
【図８】
0003696931.tif 000009