(57)【要約】      （修正有）【課題】発電プラントの周辺で海洋や大規模河川からの取水ができず、かつプラント外から工業用水の送水を受けることもできないような立地条件下においても、高効率で経済性の高い火力発電システムを提供する。【解決手段】ボイラの排ガス中の蒸気を凝縮させて水分を回収する水回収設備と、回収した水から粒子状物質や有害物質を除去しｐHを調整する水浄化設備と、浄化された水を貯留できる貯留池と、貯留池の水が供給される空冷式冷却塔と、水回収設備と空冷式冷却塔が閉循環式の水冷システムを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスが有する熱で高温高圧の蒸気を生成するボイラと、前記ボイラで生成した蒸気を用いて発電する汽力発電設備と、前記ボイラの燃焼排ガスから粒子状物質や有害物質を除去する排ガス処理設備とを有する火力発電プラントにおいて、
前記ボイラの排ガス中の蒸気を凝縮させて水分を回収する水回収設備と、回収した水から粒子状物質や有害物質を除去しｐHを調整する水浄化設備と、浄化された水を貯留できる貯留池と、前記貯留池の水が供給される空冷式冷却塔と、前記水回収設備と前記空冷式冷却塔が閉循環式水冷システムを構成することを特徴とする火力発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記汽力発電設備の復水器が第２の空冷式冷却塔を有する閉循環式水冷システムで構成されており、前記第２の空冷式冷却塔への補給水が前記貯留池から供給されることを特徴とする火力発電システム。
【請求項３】
請求項２において、冷熱を生成する冷凍機と該冷凍機で生成した冷熱を貯留する蓄冷槽を有し、前記水回収設備の閉循環式水冷システムの冷却水が前記蓄冷槽内を通過することを特徴とする火力発電システム。
【請求項４】
請求項３において、前記ボイラで生成され前記汽力発電設備で使用される蒸気の一部を抽気蒸気として前記冷凍機に導入できるように配管が接続され、該抽気蒸気を前記冷凍機の駆動源として用いることを特徴とする火力発電システム。
【請求項５】
請求項３において、太陽熱集熱装置が設置され、該太陽熱集熱装置で得られた熱エネルギを前記冷凍機に供給するように熱媒体の循環配管が設置され、前記熱エネルギを前記冷凍機の駆動源として用いることを特徴とする火力発電システム。
【請求項６】
請求項３において、太陽光発電設備もしくは風力発電設備が設置され、前記発電設備で生成された電気エネルギを前記冷凍機に供給するように配電設備が設置され、前記電気エネルギを前記冷凍機の駆動源として用いることを特徴とする火力発電システム。
【請求項７】
請求項２において、前記ボイラの排ガス煙道中に設置された排ガス熱回収装置と、前記排ガス熱回収装置で得られた熱を駆動源とした冷熱生成装置と、生成した冷熱を貯留する蓄冷槽と、前記水回収設備の閉循環式水冷システムの冷却水が該蓄冷槽内を通過することにより間接的に冷却されるように接続されていることを特徴とする火力発電システム。
【請求項８】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスが有する熱で高温高圧の蒸気を生成するボイラと、前記ボイラで生成した蒸気を用いて発電する汽力発電設備と、前記ボイラの燃焼排ガスから粒子状物質や有害物質を除去する排ガス処理設備とを有する火力発電プラントにおいて、
前記ボイラの排ガス中の蒸気を凝縮させて水分を回収する水回収設備と、回収した水から粒子状物質や有害物質を除去しｐHを調整する水浄化設備と、浄化された水を貯留できる貯留池とを備え、さらに該貯留池が標高差のある上部貯留池と下部貯留池からなり、これらの貯留池が互いに水路で連結された上で水路の中途に揚水ポンプと水力発電機を備えていることを特徴とする火力発電システム。
【請求項９】
請求項８において、前記揚水ポンプの駆動源としてポンプ駆動用蒸気タービンが設置され、前記ボイラで生成され汽力発電設備で使用される高温高圧蒸気の一部を抽気蒸気として該ポンプ駆動用蒸気タービンに導入できるようにバルブを配した配管が接続され、該抽気蒸気が前記揚水ポンプの駆動源として利用できることを特徴とする火力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭や石油のような化石燃料を燃焼させて生成した高温燃焼ガスの熱を、伝熱管を介することで水に伝えて高温高圧の蒸気を生成し、これを蒸気タービンに供給して発電する火力発電システムは、送電出力５００〜１０００ＭＷ級の事業用プラントに多数採用され、各国で電力需要の２０〜４０％を担う重要な発電手段となっている。今後も、経済発展が目覚ましい新興国を中心に、その旺盛な電力需要に応える発電手段として幅広い地域で発電所の建設が計画されている。
【０００３】
一方、近年世界各地で水資源の窮乏が社会や経済に大きな影響を与えている。将来的には水資源はさらに減少の傾向をたどり、その影響を受ける地域は現状よりさらに拡大するとの予測がある。火力発電システム、とりわけ汽力発電設備を採用した発電所では、蒸気タービンから排出される低温の蒸気を冷却し、水に戻してボイラに再循環させるために、復水器において多量の冷却水を必要としている。一般に、これらの冷却水には海水や大規模河川水が利用されるが、１０００ＭＷ級の石炭火力発電プラントでは冷却水取水量は毎時約１４万トンに及ぶ。この他にも、高性能の湿式排ガス浄化システムにおいては、毎時１００トン以上の補給水が必要と言われている。すなわち水資源の窮乏は、火力発電プラントの運用性及び経済性に重大な影響を及ぼす要素であり、今後の電源確保を進める上で重要な課題と考えられている。
【０００４】
現在、乾燥地域や大陸内陸部など、多量の取水が困難な地域に火力発電所を立地する場合、空冷式の復水器や乾式の排ガス処理設備などが採用されている。
【０００５】
特許文献１には、空冷式復水器の冷却性能を向上する手段が開示されている。本文献における空冷式復水器においては、伝熱管表面にセラミクス皮膜を形成したうえで少量の水を表面に噴霧することで、水の気化熱を最大限に利用し、蒸気の冷却効率を向上させている。
【０００６】
特許文献２には、水を使用しない乾式の排煙脱硫装置が開示されている。本文献における乾式脱硫装置は、排ガスと脱硫剤との固気反応に多段型の噴流層を用いることで、装置の小型化と脱硫剤の成型コスト低減および脱硝と集塵との複合機能化を図り、乾式排煙処理装置の低コスト化が実現できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２３０５３号公報
【特許文献２】特開２００３−２５１１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の通り、水資源の窮乏に対応できる技術として、火力発電プラントでは既に空冷式の復水器や乾式の排ガス処理設備が実用化されている。しかしながらこれらの技術は、水が豊富に使える環境で適用される技術に比して、機器コストや性能の面で改善すべき課題が多い。空冷式復水器は、水冷式に比較して熱伝達効率が低いために装置が大型化し、ファン動力も増加する傾向にある。また、乾式の脱硫装置には、粒状固体の脱硫剤を移動層で排ガスと接触させる方式があるが、移動層内の圧力損失を抑制するために湿式のスクラバ装置に比較して大型化する傾向にある。また、造粒物である脱硫剤の購入価格も湿式用の薬剤に比較して割高であると言われている。
【０００９】
そこで本発明の目的は、発電プラントの周辺で海洋や大規模河川からの取水ができず、かつプラント外から工業用水の送水を受けることもできないような立地条件下においても、高効率で経済性の高い火力発電システムを提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記ボイラの排ガス中の蒸気を凝縮させて水分を回収する水回収設備と、回収した水から粒子状物質や有害物質を除去しｐHを調整する水浄化設備と、浄化された水を貯留できる貯留池と、前記貯留池の水が供給される空冷式冷却塔と、前記水回収設備と前記空冷式冷却塔が閉循環式の水冷システムを構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電プラント立地における水資源利用に大きな制約がある場合でも、発電用燃料の排ガスから水を回収生成して貯留することにより、プラント内で必要とされる多種多様な水需要を賄い、高効率で経済性の高い発電プラントを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１の機器構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の機器構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例３の機器構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例４の機器構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例５の機器構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例６の機器構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例７の機器構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例８の機器構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例９の機器構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、燃料を燃焼させて蒸気を生成し、汽力発電設備を駆動する火力発電システムに関する。以下、本発明を石炭火力発電システムに適用した実施例について図を参照しながら説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本実施例における石炭火力発電システムの機器構成を示す。燃料である石炭は、図示しない石炭粉砕機で微粉砕された後に燃焼用空気とともにボイラ１に供給されて燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスが有する熱は、ボイラ壁面等に設置された図示しない伝熱管を介して伝熱管内部を流動する水もしくは蒸気に伝達され高温高圧の蒸気が生成された後に、蒸気配管９によって汽力発電設備２に供給されて、蒸気の有するエネルギーが電気に変換される。
【００１５】
ボイラ１の燃焼排ガスは、ボイラ出口に設置された排ガス煙道８より排出されて、図示しない脱硝装置、集塵装置、脱硫装置などで構成される排ガス処理設備３に導入され、粒子状物質や有害物質等が除去される。なお、排ガス処理設備３はプラント設置地域の法規制に応じて上記と異なる装置構成を取っても良い。排ガス処理後の燃焼排ガスは、水回収設備５に導入されて冷却され、排ガス中に含まれる蒸気が凝縮することにより水として回収される。水回収設備５には、空冷式冷却塔１０を有する閉循環式の水冷システムが接続されており、排ガスから回収した熱は空冷式冷却塔１０から大気中に放散される。水回収設備５の出口における排ガス温度は、水冷システムの設計により調整可能であるが、十分な回収水量を得る観点からは３０℃以下とするのが好ましい。水回収後の燃焼排ガスは、煙突４から大気中に放出される。
【００１６】
水回収設備５で回収された水は、水浄化設備６に導入されてその後の利用目的に合わせた粒子状物質や有害物質及びイオンの除去、およびｐＨの調整等が行われる。ｐＨ調整は中性とするのが基本であるが、その後の貯留や循環利用における利便性（藻類の繁茂防止など）を考慮し、弱酸性もしくは弱アルカリ性に調整しても良い。水浄化設備６で調整された回収水は、貯留池７に導かれ貯留される。貯留池７の大きさや構造等はプラントの立地と建設コスト、および水利用方法によって任意に設定可能である。貯留池は、水面からの自然蒸散の抑制を目的として、地下式や日射遮蔽版を取り付けた構造としても良い。
【００１７】
貯留池７に貯められた水は、補給水供給ポンプ１１を介して、空冷式冷却塔１０および排ガス処理設備３などに供給され、冷却塔や湿式脱硫装置の補給水として利用される。その他、ボイラ缶水を始めとする図示しないプラント内の水需要を満たすために活用される。
【００１８】
以上の機器構成により、プラントの外部から一切の水供給を受けることなく、水を利用した効率及び性能とも高い機器を運用することができる。また、水資源制約の厳しい立地条件においても高効率で経済性の高い火力発電システムの運用が可能となる。
【実施例２】
【００１９】
図２は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例１と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例１との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００２０】
本実施例が実施例１と異なる点は、貯留池７の回収水の用途として、汽力発電設備２の構成機器の一つである復水器２ｂの水冷システムへの利用を加えたことである。図２では、復水器での回収水利用法を明示するために、汽力発電設備２の構成機器を、蒸気タービン発電装置２a、復水器２ｂ、給水加熱器２ｃに分割して示した。ボイラ１で生成された高温高圧の蒸気は、蒸気タービン発電装置２aで電気エネルギに変換された後に、復水器２ｂで冷却されて水に戻され、給水加熱器２ｃを経て再びボイラ１に戻り系統内を循環する。復水器２ｂは復水器用空冷式冷却塔１４を有する閉循環式水冷システムに接続されている。復水器における交換熱量は膨大であるため、より熱交換効率の高い水冷式を採用することはメリットが大きいが、復水器用空冷式冷却塔１４への補給水もまた多量に必要となり、従来は水資源が乏しい立地では空冷式を採用せざるを得なかった。本実施例では、貯留池７の回収水を復水器用空冷式冷却塔１４の補給水として利用できるため、より経済性の高い火力発電システムとすることができる。
【実施例３】
【００２１】
図３は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例２と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例２との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例２におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００２２】
本実施例が実施例２と異なる点は、水回収設備５に接続された水冷システムの循環水が蓄冷槽１２を経由して循環し、さらに蓄冷槽に冷熱を供給するための冷凍機１３が設置されることである。冷凍機の駆動源は通常電気を用いるが、他の駆動源を用いても良い。
【００２３】
本実施例においては、水回収設備５での排ガス冷却性能を安定的に維持し、さらにより低温の冷却水を循環することによって排ガスからのより多くの回収水を得ることが肝要である。本実施例においては、回収水の需要状況に応じて蓄冷槽の温度を変化させ、もって冷却水の温度を変化させて回収水量を増減することが可能となり、より安定的な回収水の運用が可能になる。
【実施例４】
【００２４】
図４は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例３と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例３との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例３におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００２５】
本実施例が実施例３と異なる点は、冷凍機１３の駆動源として、蒸気タービン発電装置２aからの抽気蒸気を活用できる構成を有していることである。蒸気タービン発電装置２aは通常複数の蒸気タービンから構成されるが、任意のタービンの排気を中途で抜き出し抽気蒸気を得ることができる。本実施例では、冷凍機の駆動源とするのに適当な蒸気条件となる部位から抽気蒸気を取り出し、バルブを配した蒸気配管で冷凍機１３と接続している。これにより、自プラント内で発電した電気を冷凍機の駆動源として消費するよりも、より効率的に冷凍機を運転することができ、好適である。また、電力需要が低下する夜間にのみ抽気蒸気による冷凍機運転を実施し、昼間の排ガス冷却に必要な冷熱も夜間の内に蓄冷槽１２に蓄積するような運用も可能となり、より効率的なエネルギ利用ができる。
【実施例５】
【００２６】
図５は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例３と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例３との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例３におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００２７】
本実施例が実施例３と異なる点は、冷凍機１３の駆動源として、太陽熱集熱装置１７で得られた熱エネルギを活用できる構成を有していることである。太陽熱集熱設備１７は、油、蒸気などの適当な熱媒体が循環する配管で冷凍機１３と接続されており、十分な熱量が太陽熱から得られる晴天の昼間には、プラントで燃料から生成するエネルギに依存せずに冷凍機１３を駆動することができる。なお、太陽熱を利用できる時間帯は限定されているため、本実施例では電気などの安定した駆動源も使用できるように機器が構成されている。本実施例によれば、再生可能エネルギを有効に発電システムに活用することができ、好適である。
【実施例６】
【００２８】
図６は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例３と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例３との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例３におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００２９】
本実施例が実施例３と異なる点は、冷凍機１３の駆動源として、太陽光発電設備１９もしくは風力発電設備２０で得られた電気エネルギを活用できる構成を有していることである。太陽光発電設備１９、および風力発電設備２０は電圧及び出力調整などのために配電設備１８に接続されており、配電設備から必要に応じて電力が冷凍機１３に供給される。なお、太陽光、風力とも、発電できる時間帯や出力の変動が大きいため、本実施例では自プラントの発電電源や外部電源などの安定した駆動源も使用できるように機器が構成されている。冷凍機駆動に十分な電力が前記２種の再生可能エネルギ発電設備から得られれば、再生可能エネルギを有効に発電システムに活用することができ、好適である。
【実施例７】
【００３０】
図７は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例３と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例３との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例３におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００３１】
本実施例が実施例３と異なる点は、冷凍機１３の代用として、ボイラ１の燃焼排ガスの熱エネルギを活用できる構成とすることである。排ガス煙道８の中途には排ガス熱回収装置２１が設置され、適当な熱媒体もしくはエネルギ媒体を冷熱生成装置２２との間でやりとりさせることにより、排ガス廃熱から冷熱を生成する。熱媒体としては、フロン等の有機化合物やアンモニア、ＣＯ2等が適用できるほか、音響エンジンのような熱機関の適用も好ましい。冷熱生成装置２２は蓄冷槽１２と接続されており、生成した冷熱を蓄積できる。本実施例の構成では、再生可能エネルギを冷凍機駆動源に活用する実施例とは異なり、より安定した冷熱生成が期待でき、さらに発電プラントの効率低下を招くこともないため好適である。なお、機器構成で十分な冷熱生成エネルギが得られない場合には、他の駆動源を併用することも可能である。
【実施例８】
【００３２】
図８は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例１と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例１との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００３３】
本実施例が実施例１と異なる点は、回収水の貯留池が下部貯留池７aと上部貯留池７ｂの少なくとも２か所が標高差をつけて設置され、これらの貯留池を利用した揚水発電が可能となる構成を有していることである。２つの貯留池は水路で連通されており、水路の中途には揚水ポンプ１６、および水力発電機１５が設置されている。揚水ポンプ１６と水力発電機１５は両者の機能を併せ持った機器で代替しても良い。
【００３４】
本実施例によれば、電力需要が低下する夜間に、自プラントの発電電力の一部で揚水ポンプ１６を駆動することで電気エネルギを水の位置エネルギとして蓄積しておき、最も電力需要の高まる昼間に水力発電機１５を稼働して電力系統に供給することができる。電力系統の需給調整機能が強固ではない地域においては、需給変動に柔軟に対応できる発電所として機能することができ、好適である。
【実施例９】
【００３５】
図９は、本実施例における別の石炭火力発電システムの機器構成を示す。本実施例は実施例８と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例８との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例８におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
【００３６】
本実施例が実施例８と異なる点は、揚水ポンプ１６の駆動源としてポンプ駆動用蒸気タービン２３が設置され、ボイラ１で生成した蒸気の一部を使って揚水ポンプ１６を駆動できることにある。汽力発電設備２から揚水ポンプ駆動に適した条件の抽気蒸気を、バルブを配した蒸気配管でポンプ駆動用蒸気タービン２３に導入し、必要に応じて抽気蒸気による揚水ができる構成としている。これにより、夜間に自プラントの発電電力で揚水ポンプを駆動するのに比較し、より高効率にエネルギ貯蔵が可能となり好適である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・ボイラ
２・・・汽力発電設備
２a・・・蒸気タービン発電装置
２ｂ・・・復水器
２ｃ・・・給水加熱器
３・・・排ガス処理設備
４・・・煙突
５・・・水回収設備
６・・・水浄化設備
７・・・貯留池
７a・・・下部貯留池
７ｂ・・・上部貯留池
８・・・排ガス煙道
９・・・蒸気配管
１０・・・空冷式冷却塔
１１・・・補給水供給ポンプ
１２・・・蓄冷槽
１３・・・冷凍機
１４・・・復水器用空冷式冷却塔
１５・・・水力発電機
１６・・・揚水ポンプ
１７・・・太陽熱集熱装置
１８・・・配電設備
１９・・・太陽光発電設備
２０・・・風力発電設備
２１・・・排ガス熱回収装置
２２・・・冷熱生成装置
２３・・・ポンプ駆動用蒸気タービン
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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