(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスによって駆動する発電機関と、
前記発電機関から排出される排気ガスのエネルギーを利用してボイラ水から蒸気を生成する排熱ボイラと、
前記排熱ボイラで生成された蒸気を蒸気エネルギー回収手段に供給するとともに、該蒸気エネルギー回収手段が前記蒸気のエネルギーを回収した後、該蒸気の凝縮水を再び前記排熱ボイラに供給するボイラ水循環装置と、
前記排熱ボイラから排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用して熱媒体を加熱する凝縮エコノマイザと、
前記凝縮エコノマイザで加熱された熱媒体を熱エネルギー回収手段に供給するとともに、該熱エネルギー回収手段が前記熱媒体のエネルギーを回収した後、該熱媒体を再び前記凝縮エコノマイザに供給する熱媒体循環装置と、
前記凝縮エコノマイザにおいて凝縮した前記排気ガスの凝縮水を水需要体に供給する排ガス凝縮水供給装置と、を備える、
クアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記水需要体は、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる、
請求項１に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記発電機関は、
燃料ガスによって駆動するガスタービンと、
前記ガスタービンの軸出力によって駆動する第１発電機と、を含む、
請求項１又は２に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記排熱ボイラは、前記発電機関から排出される排気ガスを燃焼用空気として利用する排気再燃ボイラからなる、
請求項１から３の何れか一項に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記熱エネルギー回収手段は、
複数の住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる熱エネルギー需要体における暖房または給湯のための熱源として、前記熱媒体からエネルギーを回収する熱媒体用熱交換器からなる、
請求項１から４の何れか一項に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項６】
前記蒸気エネルギー回収手段は、
前記蒸気によって駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの軸出力によって駆動する第２発電機と、を含む、
請求項１から５の何れか一項に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項７】
前記蒸気エネルギー回収手段は、
複数の住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる熱エネルギー需要体における冷暖房または冷凍の熱源として、前記蒸気からエネルギーを回収する蒸気用熱交換器からなる、
請求項１から５の何れか一項に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【請求項８】
前記凝縮エコノマイザから排出される排気ガスのエネルギーを回収する排気ガス用熱交換器をさらに備える、
請求項１から７の何れか一項に記載のクアトロ・ジェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電時に発生する排気ガスのエネルギーを凝縮エコノマイザ―で回収するクアトロ・ジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力と熱の供給を同時に行うコ・ジェネレーションシステムが知られている。このコ・ジェネレーションシステムは、都市ガス等の燃料ガスでガスタービン等を駆動して発電するとともに、発生した排気ガスでボイラを加熱して蒸気を生成するものであり、トータルで高い熱効率を実現することが出来る熱電供給システムである。例えば、特許文献１には、ガスタービンによって発電した電気を百貨店などの複合施設に供給するとともに、排気ガスの熱エネルギーを施設内の空調用エネルギーとして利用したコ・ジェネレーションシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１１５８６７号公報
【特許文献２】特開２００３−７４３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで本発明者らは、従来のコ・ジェネレーションシステムの更なる熱効率の向上を図るべく鋭意検討したところ、凝縮エコノマイザを導入し、排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用することで更なる熱効率の向上を実現出来ることを見出した。この本発明者らが発明した新規なコ・ジェネレーションシステムは、従来の「電力」および「蒸気」に加えて、凝縮エコノマイザで回収される「熱」、並びに凝縮エコノマイザで凝縮される「凝縮水」、の計４つの有用な資源を生み出すことが出来るものであり、クアトロ・ジェネレーションシステムとも呼ぶべき新たなシステムである。
【０００５】
しかるに、特許文献２には、ボイラの排ガス出口に凝縮エコノマイザを配置したコ・ジェネレーションシステムが開示されている。しかしながら、この特許文献２のコ・ジェネレーションシステムは、後述する本願発明とはそもそも以下の点においてそのシステム構成が大きく異なっている。
この特許文献２のコ・ジェネレーションシステムは、小型ボイラと小型ガスタービンとの組み合わせによるものである。小型ボイラでは、大型ボイラと比べて使用するボイラ水の量が少ないため、ボイラ水から生成した蒸気を凝縮水として回収してボイラ水として再利用することはコスト面で見合わない。このため特許文献２では、外部からの給水を凝縮エコノマイザで加熱し、この加熱した給水をボイラ水としてボイラに供給している。また、上記凝縮エコノマイザで凝縮した排気ガス中の水分もボイラ水として利用している。
これに対して本願発明の排熱ボイラは大型ボイラであって、後述するように、排熱ボイラで生成した蒸気を凝縮水として回収して再びボイラ水として再利用するためのボイラ水循環装置を備えている。また、本願発明の凝縮エコノマイザは、後述するように、熱エネルギー需要体や水需要体に対して供給する熱エネルギーや凝縮水を生成するものであり、特許文献２の凝縮エコノマイザとは、そのシステム内における役割が全く異なっている。
【０００６】
本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような背景技術の下でなされたものであって、その目的とするところは、従来のコ・ジェネレーションシステムよりもトータルの熱効率が高い新規なクアトロ・ジェネレーションシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の少なくとも一つの実施形態にかかるクアトロ・ジェネレーションシステムは、
燃料ガスによって駆動する発電機関と、
前記発電機関から排出される排気ガスのエネルギーを利用して蒸気を生成する排熱ボイラと、
前記排熱ボイラで生成された蒸気を蒸気エネルギー回収手段に供給するとともに、該蒸気エネルギー回収手段が前記蒸気のエネルギーを回収した後、該蒸気の凝縮水を再び前記排熱ボイラに供給するボイラ水循環装置と、
前記排熱ボイラから排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用して熱媒体を加熱する凝縮エコノマイザと、
前記凝縮エコノマイザで加熱された熱媒体を熱エネルギー回収手段に供給するとともに、該熱エネルギー回収手段が前記熱媒体のエネルギーを回収した後、該熱媒体を再び前記凝縮エコノマイザに供給する熱媒体循環装置と、を備える。
【０００８】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、コ・ジェネレーションシステムに凝縮エコノマイザを導入し、排熱ボイラから排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用することで、更なる熱効率の向上を実現出来る。
例えば、燃料ガスとして投入するエネルギーを１００とした場合、従来のコ・ジェネレーションシステムでは、電力エネルギーおよび蒸気エネルギーとしてそれぞれ４０ずつ回収していたとする。この場合のトータルの熱効率は８０％である。これに対して本実施形態では、電力エネルギーおよび蒸気エネルギーとしてそれぞれ４０ずつ回収するのに加えて、凝縮エコノマイザにおいて熱エネルギーとして５程度回収できるため、トータルの熱効率を８５％程度にすることが出来る。
【０００９】
幾つかの実施形態では、上記凝縮エコノマイザにおいて凝縮した排気ガスの凝縮水を水需要体に供給する排ガス凝縮水供給装置をさらに備える。ある実施形態では、前記水需要体は、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる。
このような実施形態によれば、凝縮エコノマイザで凝縮された凝縮水を有効に利用することが出来る。すなわち、本実施形態のクアトロ・ジェネレーションシステムは、従来のコ・ジェネレーションシステムにおいて生産される「電力」、「蒸気」に加えて、凝縮エコノマイザで回収される「熱」、並びに凝縮エコノマイザで凝縮される「凝縮水」、の計４つの有用な資源を生み出すことが出来る新たなシステムである。
【００１０】
幾つかの実施形態では、上記発電機関は、燃料ガスによって駆動するガスタービンと、ガスタービンの軸出力によって駆動する第１発電機と、からなる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、上記排熱ボイラは、発電機関から排出される排気ガスを燃焼用空気として利用する排気再燃ボイラからなる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、上記熱エネルギー回収手段は、複数の住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる熱エネルギー需要体における暖房または給湯のための熱源として、熱媒体からエネルギーを回収する熱媒体用熱交換器からなる。
このような実施形態によれば、凝縮エコノマイザにおいて回収した排気ガスの熱エネルギーを複合施設または地域からなる熱エネルギー需要体における暖房または給湯のための熱源として有効に利用することが出来る。
【００１３】
幾つかの実施形態では、上記蒸気エネルギー回収手段は、蒸気によって駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンの軸出力によって駆動する第２発電機と、からなる。
このような実施形態によれば、排熱ボイラで生成された蒸気のエネルギーを利用して発電することが出来る。
【００１４】
幾つかの実施形態では、上記蒸気エネルギー回収手段は、複数の住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される複合施設または地域からなる熱エネルギー需要体における冷暖房または冷凍の熱源として、蒸気からエネルギーを回収する蒸気用熱交換器からなる。
このような実施形態によれば、排熱ボイラで生成された蒸気の熱エネルギーを複合施設または地域における冷暖房または冷凍のための熱源として有効に利用することが出来る。
【００１５】
幾つかの実施形態では、上記凝縮エコノマイザから排出される排気ガスのエネルギーを回収する排気ガス用熱交換器をさらに備える、
このような実施形態によれば、凝縮エコノマイザから排出される排気ガスの熱エネルギーを回収することで、システム全体におけるトータルの熱効率を更に高めることが出来る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、従来のコ・ジェネレーションシステムよりもトータルの熱効率が高い新規なクアトロ・ジェネレーションシステムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるクアトロ・ジェネレーションシステムの全体構成を示した模式図である。
【図２】凝縮エコノマイザの内部構成を示した概略図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるクアトロ・ジェネレーションシステムの全体構成を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態にかかるクアトロ・ジェネレーションシステムの全体構成を示した模式図である。
本実施形態のクアトロ・ジェネレーションシステム１は、発電機関２と、排熱ボイラ４と、蒸気エネルギー回収手段６と、ボイラ水循環装置８と、凝縮エコノマイザ１０と、熱エネルギー回収手段１２と、熱媒体循環装置１４と、を少なくとも備えている。
【００２０】
本実施形態の発電機関２は、都市ガスなどの燃料ガスによって駆動するガスタービン２ａと、ガスタービン２ａの軸出力によって駆動する第１発電機２ｂと、からなる。これにより、都市ガスの燃焼エネルギーによって発電を行うことが出来るように構成されている。
なお、本発明の発電機関２は上記構成に限定されない。本発明の発電機関２を、例えば燃料ガスによって駆動するガスエンジンとガスエンジンによって駆動する発電機との組み合わせや、燃料ガスによって発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成してもよい。
【００２１】
発電機関２から排出された高温の排気ガスは、排熱ボイラ４に供給される。排熱ボイラ４は、発電機関２から排出される排気ガスのエネルギーを利用して蒸気を生成する。
幾つかの実施形態では、排熱ボイラ４は、発電機関２から排出される排気ガスを燃焼用空気として利用する排気再燃ボイラからなる。このような実施形態によれば、排熱ボイラ４を排熱回収ボイラとして構成する場合と比べて、ボイラ効率を向上させることが出来る。
【００２２】
排熱ボイラ４で生成された蒸気は、環状の蒸気管路８ａを介して蒸気エネルギー回収手段６に供給される。本実施形態の蒸気エネルギー回収手段６は、蒸気によって駆動する蒸気タービン６ａと、蒸気タービン６ａの軸出力によって駆動する第２発電機６ｂとからなる。これにより排熱ボイラ４で生成された蒸気によって発電を行うことで、蒸気エネルギー回収手段６によって蒸気エネルギーを回収することが出来るように構成されている。
【００２３】
また、蒸気管路８ａの蒸気エネルギー回収手段６の流れ方向下流側には、蒸気エネルギー回収手段６において凝縮した蒸気の凝縮水を再び排熱ボイラ４にボイラ水として供給するための凝縮水循環ポンプ８ｂが配置されている。本実施形態では、これら蒸気管路８ａと凝縮水循環ポンプ８ｂとによってボイラ水循環装置８が構成されている。
【００２４】
排熱ボイラ４から排出される中温の排気ガスは、凝縮エコノマイザ１０に供給される。凝縮エコノマイザ１０は、排熱ボイラ４から排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用して熱媒体を加熱する。
【００２５】
図２は、凝縮エコノマイザの内部構成を示した概略図である。
図２に示したように、凝縮エコノマイザ１０のケーシング１０ｅの内部には、伝熱管１０ａが蛇行状に配管されている。このケーシング１０ｅの一面には排気ガス流入口１０ｃが開口し、ケーシング１０ｅの他面には排気ガス流出口１０ｄが開口している。そして、排気ガス流入口１０ｃから排気ガス流出口１０ｄに向かってケーシング１０ｅ内を排気ガスが流れることで、排気ガスが伝熱管１０ａと接触し、伝熱管１０ａの内部を流れている水などの熱媒体を加熱する。この際、伝熱管１０ａの表面には排気ガス中の水分が凝縮して付着する。付着した凝縮水（排ガス凝縮水）１０ｗは、ケーシング１０ｅの底部に形成されている排ガス凝縮水回収部１０ｂに集められる。
【００２６】
凝縮エコノマイザ１０で加熱された熱媒体は、環状の熱媒体管路１４ａを介して熱エネルギー回収手段１２に供給される。本実施形態の熱エネルギー回収手段１２は、熱媒体と熱交換することで熱媒体から熱エネルギーを回収する熱媒体用熱交換器１２からなる。熱媒体用熱交換器１２で回収された熱エネルギーは、後述する熱エネルギー需要体２０Ｂにおいて消費される。凝縮エコノマイザ１０から排出される低温の排気ガスは、不図示の浄化装置において浄化された後に、煙突２２から外部に排出される。
【００２７】
また、熱媒体管路１４ａの熱エネルギー回収手段１２の流れ方向下流側には、熱エネルギー回収手段１２において熱交換して冷却した熱媒体を再び凝縮エコノマイザ１０に供給するための熱媒体循環ポンプ１４ｂが配置されている。本実施形態では、これら熱媒体管路１４ａと熱媒体循環ポンプ１４ｂとによって熱媒体循環装置１４が構成されている。
【００２８】
また、上述した凝縮エコノマイザ１０の排ガス凝縮水回収部１０ｂに集められた排ガス凝縮水は、排ガス凝縮水供給管路１６ａを介して、排ガス凝縮水供給管路１６ａに配置されている排ガス凝縮水供給ポンプ１６ｂによって水需要体２０Ａに供給される。本実施形態では、これら排ガス凝縮水供給管路１６ａと排ガス凝縮水供給ポンプ１６ｂとによって排ガス凝縮水供給装置１６が構成されている。符号１８は、排ガス凝縮水供給管路１６ａに配置されている排ガス凝縮水処理器１８であって、酸性状態にある排ガス凝縮水を用途に応じた所望のｐＨに調整するためのものである。
【００２９】
水需要体２０Ａおよび熱エネルギー需要体２０Ｂは、排ガス凝縮水および熱媒体用熱交換器１２で回収された熱エネルギーを利用する主体であって、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される大型複合施設や地域等からなる。住居とは、１世帯が生活するマンションの一部屋や戸建て家屋などを指す。テナントは、商業施設の一区画において一般顧客に対してサービスを提供する店舗などを指す。業種としては、例えば、服飾店、雑貨店、ドラッグストア、酒屋、等々の小売業や、レストラン、カフェ、寿司屋、居酒屋、等々の飲食業などを含む。事務所は、オフィスビルの一部分などにおいて、そこで働く勤務者が一定の目的のために事務を行う場所を指す。
【００３０】
排ガス凝縮水は、上述した水需要体２０Ａにおいて飲用水や生活用水として利用される。排ガス凝縮水は、カルシウム塩やマグネシウム塩などの硬度成分を含まないため、特に化粧水や加湿用水などに好適に用いることが出来る。
熱媒体用熱交換器１２で回収された熱エネルギーは、上述した熱エネルギー需要体において、例えば暖房の熱源や給湯用の熱源として利用される。
【００３１】
このような実施形態によれば、コ・ジェネレーションシステムに凝縮エコノマイザ１０を導入し、排熱ボイラ４から排出される排気ガスの凝縮潜熱を利用することで、更なる熱効率の向上を実現出来る。
例えば、燃料ガスとして投入するエネルギーを１００とした場合、従来のコ・ジェネレーションシステムでは、電力エネルギーおよび蒸気エネルギーとしてそれぞれ４０ずつ回収していたとする。この場合のトータルの熱効率は８０％である。これに対して本実施形態では、発電機関２において電力エネルギーとして４０を回収し、蒸気エネルギー回収手段６において蒸気エネルギーとして４０回収するのに加えて、凝縮エコノマイザ１０において熱エネルギーとして５程度回収できるため、トータルの熱効率を８５％程度にすることが出来る。すなわち、凝縮エコノマイザ１０を導入することで、従来に比べてシステム全体で５％程度の熱効率を向上させることが出来る。
【００３２】
また上述したように、凝縮エコノマイザ１０において凝縮した排ガス凝縮水を水需要体２０Ａに供給する排ガス凝縮水供給装置１６を備えており、凝縮エコノマイザ１０で凝縮された排ガス凝縮水を有効に利用することが出来るようになっている。すなわち、本実施形態のクアトロ・ジェネレーションシステム１は、従来のコ・ジェネレーションシステムにおいて生産される「電力」、「蒸気」に加えて、凝縮エコノマイザ１０で回収される「熱」、並びに凝縮エコノマイザ１０で凝縮される「凝縮水」、の計４つの有用な資源を生み出すことが出来る新たなシステムとなっている。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態にかかるクアトロ・ジェネレーションシステムの全体構成を示した模式図である。
本実施形態は、上述した実施形態と基本的には同様の構成をなしている。よって、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
本実施形態のクアトロ・ジェネレーションシステム１は、図３に示したように、上述した蒸気エネルギー回収手段６が、蒸気からエネルギーを回収するための蒸気用熱交換器６ｃからなる点が、上述した実施形態と異なっている。蒸気用熱交換器６ｃで回収されたエネルギーは、熱エネルギー需要体２０Ｃにおける冷暖房または冷凍の熱源として利用される。熱エネルギー需要体２０Ｃは、蒸気用熱交換器６ｃで回収されたエネルギーを利用する主体であって、上述した水需要体２０Ａおよび熱エネルギー需要体２０Ｂと同様に、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される大型複合施設や地域等からなる。
【００３５】
このような実施形態によれば、排熱ボイラ４で生成された蒸気の熱エネルギーを複合施設または地域における熱源として有効に利用することが出来る。排気再燃ボイラで回収される高温高圧の蒸気は、特に冷暖房または冷凍のための熱源として効率的に利用可能である。
【００３６】
また本実施形態のクアトロ・ジェネレーションシステム１は、図３に示したように、凝縮エコノマイザ１０から排出される低温の排気ガスのエネルギーを回収する排気ガス用熱交換器２４をさらに備える。排気ガス用熱交換器２４で回収された熱エネルギーは、ガスタービン２ａに供給される燃料ガスを加熱（予熱）するための熱源や、排気再燃ボイラ４に供給される燃焼用空気を加熱（予熱）するための熱源として利用することが出来る。
このような実施形態によれば、凝縮エコノマイザ１０から排出される低温の排気ガスの熱エネルギーを回収することで、システム全体におけるトータルの熱効率を更に高めることが出来る。
【００３７】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば上述した実施形態を組み合わせても良く、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の少なくとも一実施形態は、従来の「電力」および「蒸気」に加えて、凝縮エコノマイザで回収される「熱」、並びに凝縮エコノマイザで凝縮される「凝縮水」、の計４つの有用な資源を生み出すことが出来る新規のコ・ジェネレーションシステム（クアトロ・ジェネレーションシステム）として、例えば、複数の住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種が複数集まって構成される大型複合施設や地域において好適に用いることが出来る。
【符号の説明】
【００３９】
１                  クアトロ・ジェネレーションシステム
２                  発電機関
２ａ                ガスタービン
２ｂ                第１発電機
４                  排燃ボイラ（排気再燃ボイラ）
６                  蒸気エネルギー回収手段、
６ａ                蒸気タービン
６ｂ                第２発電機
６ｃ                蒸気用熱交換器
８                  ボイラ水循環装置
８ａ                蒸気管路
８ｂ                凝縮水循環ポンプ
１０                凝縮エコノマイザ
１０ａ              伝熱管
１０ｂ              排ガス凝縮水回収部
１０ｃ              排気ガス流入口
１０ｄ              排気ガス流出口
１０ｅ              ケーシング
１２                熱エネルギー回収手段（熱媒体用熱交換器）
１４                熱媒体循環装置
１４ａ              熱媒体管路
１４ｂ              熱媒体循環ポンプ
１６                排ガス凝縮水供給装置
１６ａ              排ガス凝縮水供給管路
１６ｂ              排ガス凝縮水供給ポンプ
１８                排ガス凝縮水処理器
２０Ａ              水需要体
２０Ｂ              熱エネルギー需要体
２０Ｃ              熱エネルギー需要体
２２                煙突
２４                排気ガス用熱交換器
【図１】
0005931827.tif 000002
【図２】
0005931827.tif 000003
【図３】
0005931827.tif 000004