(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ、第１蒸気タービン、復水器、及び、脱気器を含む第１発電系統と、
前記第１発電系統の媒体より沸点が低い低沸点媒体を蒸発器で蒸発させた過熱蒸気を用いて第２蒸気タービンを駆動する第２発電系統と、を備え、
前記第１蒸気タービンの排気蒸気の少なくとも一部を前記脱気器内の媒体と熱交換させることにより過熱して得られる過熱蒸気を、前記蒸発器の高温側熱媒としたことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
ボイラで過熱蒸気を発生させる第１ステップと、
過熱蒸気を用いて第１蒸気タービンを駆動する第２ステップと、
前記第１蒸気タービンの排気蒸気の少なくとも一部を前記第蒸気タービンの熱媒を脱気する脱気器内の熱媒と熱交換させることにより過熱して過熱蒸気を得る第３ステップと、
前記第３ステップで得られた過熱蒸気と前記第１蒸気タービンを駆動する媒体より沸点が低い低沸点媒体とを熱交換させて、前記低沸点媒体の過熱蒸気を得る第４ステップと、
前記第４ステップで得られた低沸点媒体の蒸気を用いて第２蒸気タービンを駆動する第５ステップと、
を含むことを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ごみ焼却炉の廃熱を利用した発電システム及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ごみ焼却炉の廃熱を利用して発電するごみ焼却炉用発電設備は、一般の火力発電所と同様の機器で構成されており、蒸気を作動流体とするランキンサイクルを行うため、図４に示すように、廃棄物を燃焼炉７で焼却し、その燃焼排ガスからボイラ１で熱吸収し過熱蒸気を発生せ、更に過熱器１１で過熱して復水タービン２で発電する、廃棄物焼却発電が知られている（例えば特許文献１、２等）。図中、符号２４は、復水タービン２から抽気した蒸気でボイラ１への給水を加熱し、給水中の溶存酸素を低減するための脱気器である。
【０００３】
復水タービン２から排気される蒸気は復水器１６で冷却されて水に戻り、脱気器２４等を経由してボイラ１へ戻される。この蒸気サイクルの廃棄物焼却発電では、復水タービン２入口の排気蒸気が保有するエネルギーの２０％程度しか利用しおらず、残りの約８０％は復水器（コンデンサ）から大気への放熱となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０８８８１２号公報
【特許文献２】特開２０１３−００２３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の廃棄物焼却発電では、ボイラで生成した過熱蒸気の２０％程度しか利用できておらず、残りは放熱損失となっている。
【０００６】
また、放熱のための復水器は大型となるとともに、復水器の空冷用ファンの動力は発電した電力の５〜６％を消費しており、効率が悪い。
【０００７】
そこで本発明は、発電量を増やし、復水器を小型化し得る発電システム及び発電方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る発電システムは、ボイラ、第１蒸気タービン、復水器、及び、脱気器を含む第１発電系統と、前記第１発電系統の媒体より沸点が低い低沸点媒体を蒸発器で蒸発させた過熱蒸気を用いて第２蒸気タービンを駆動する第２発電系統と、を備え、前記第１蒸気タービンの排気蒸気の少なくとも一部を前記脱気器内の媒体と熱交換させることにより過熱して得られる過熱蒸気を、前記蒸発器の高温側熱媒としたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る発電方法は、ボイラで過熱蒸気を発生させる第１ステップと、過熱蒸気を用いて第１蒸気タービンを駆動する第２ステップと、前記第１蒸気タービンの排気蒸気の少なくとも一部を前記第蒸気タービンの熱媒を脱気する脱気器内の熱媒と熱交換させることにより過熱して過熱蒸気を得る第３ステップと、前記第３ステップで得られた過熱蒸気と前記第１蒸気タービンを駆動する媒体より沸点が低い低沸点媒体とを熱交換させて、前記低沸点媒体の過熱蒸気を得る第４ステップと、前記第４ステップで得られた低沸点媒体の蒸気を用いて第２蒸気タービンを駆動する第５ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来捨てていた蒸気タービンの排気蒸気を利用していわゆるバイナリ発電することにより、発電量を上昇させることができる。
【００１５】
また、蒸気タービンの排気蒸気を復水器に送る量を減らすことができるため、多大な設置空間を必要とする空冷式復水器を小型化することができる。
【００１６】
さらに、空冷式復水器のファンで消費する電力を低減させることができるため、トータルとして得られる電力が増加し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る発電システムの第１参考形態を示す系統図である。
【図２】本発明に係る発電システムの第２参考形態を示す系統図である。
【図３】本発明に係る発電システムの一実施形態を示す系統図である。
【図４】従来の発電システムを示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る発電システムの実施形態について、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、全実施例を通し、同一又は類似の構成要素に同符号を付している。
【００１９】
本発明に係る発電システムの第１参考形態は、図１に示すように、ボイラ１で加熱した過熱蒸気を用いて第１蒸気タービン２を駆動する第１発電系統３と、該第１発電系統３の媒体より沸点が低い低沸点媒体を蒸発器４で蒸発させた過熱蒸気を用いて第２蒸気タービン５を駆動する第２発電系統６と、を備えている。
【００２０】
第１発電系統３の蒸気サイクルは媒体として水を用いている。第２発電系統６の蒸気サイクルは、いわゆるバイナリ発電の蒸気サイクルであり、作動媒体として、標準沸点が１００℃より低い有機媒体、例えばHFC245fa、HFC134a、イソペンタン、ノルマルペンタン、アンモニア水等の低沸点媒体が用いられ得る。
【００２１】
ボイラ１は、焼却炉７の燃焼排ガスの排熱を利用する排熱ボイラとすることができる。図示例の焼却炉７は、ストーカ式焼却炉であり、ボイラ１の水管群１ａが焼却炉７の煙道８内に配設され、水管群１ａの上部に蒸気ドラム１０が配設されている。
【００２２】
ボイラ１で発生した蒸気は、過熱器１１で過熱されて、第１蒸気タービン２を駆動し、第１発電機１２により電力を発生させる。第１蒸気タービン２は、好ましくは、背圧式に比べて発電量を多く得ることができる復水式蒸気タービンが用いられる。
【００２３】
第１蒸気タービン２で仕事をした排気蒸気は、ドレンタンク１３で湿分を分離された後、一部が管路１４を通じて蒸気ドラム１０に送られ、残りは管路１５を通じて復水器１６に送られる。管路１４は蒸気ドラム１０内に設けた伝熱管で構成される第１熱交換器１７に連通し、管路１４から第１熱交換器１７に送られた排気蒸気は、蒸気ドラム１０内の２５０℃程度の缶水及び／又は蒸気と熱交換することにより過熱蒸気となる。第１熱交換器１７で生成した過熱蒸気は、管路１８を通じて蒸発器４に送られて蒸発器４の高温側熱媒として作用し、第２発電系統６を循環する低沸点媒体を蒸発させ、過熱する。
【００２４】
ドレンタンク１３でドレンされた媒体は管路１９を通って復水タンク２０に送られる。蒸発器４で低沸点媒体との熱交換により凝縮された媒体は、管路２１を通って復水タンク２０に送られる。復水器１６で復水された水は管路２２を通って復水タンク２０に送られる。復水タンク２０の水はポンプ２３により脱気器２４に送られ、脱気器２４で脱気された後、脱気器２４からポンプ２５により蒸気ドラム１０に給水される。
【００２５】
図示していないが、第１タービン２からのタービン排気蒸気の流量を調節するバルブ等の流量調整手段を排気蒸気の通る管路１４、１５の適宜箇所に介在させることができる。
【００２６】
蒸発器４で過熱蒸気となった低沸点媒体は、第２蒸気タービン５を駆動し、第２発電機３０により電力を発生させる。第２蒸気タービン５から出た排気蒸気は、凝縮器３１で凝縮されて液体に戻され、凝縮された低沸点媒体は、ポンプ３２により蒸発器４に圧送される。凝縮器３１で低沸点媒体と熱交換した冷媒は、冷却塔（クーリングタワー）３３で冷却されてポンプ３４により再び凝縮器３１に送られることにより、第２発電系統６の作動媒体として循環する。
【００２７】
上記構成を有する本発明の発電効率を、図４に示した従来例と比較して試算する。
【００２８】
図４に示す従来例において、各部a１〜d１における温度（℃）、圧力（atm or atg）、エンタルピーｈ（kcal/kg）、流量（kg/時）、発電機出力（kW）は以下の通りとした。
【００２９】
ａ１：蒸気ドラム内雰囲気    ；250℃、45atg
ｂ１：蒸気タービンの入口蒸気；400℃、40atg、2470kg/時、h=768kcal/kg
ｃ１：発電機の出力          ；472kW
ｄ１：蒸気タービンの出口湿り蒸気；60℃、0.2atm、h=600kcal/kg
ｅ１：復水器ファン消費電力  ；30kW
次に、図１に示す本発明の参考形態において、各部ａ２〜ｊ２を試算すると以下の通りとなる。第１蒸気タービン２からのタービン排気蒸気の約５０％を管路１４を通じて第１熱交換器１７に引き抜く場合について試算（概算）した。なお、概算のため、放熱・圧力損失は無視した。図１のボイラ、第１蒸気タービン、第１発電機は、図４の従来例のボイラ、蒸気タービン、発電機と其々同じものとした。なお、以下において詳細な計算は省略する。
【００３０】
ａ２：蒸気ドラム内雰囲気      ；250℃、45atg
ｂ２：第１蒸気タービン入口蒸気；400℃、40atg、2418kg/時
ｃ２：第１発電機の出力        ；462kW
ｄ２：ドレンタンクから引き出
したタービン排気蒸気    ；60℃、0.2atm、1200kg/時、h=623kcal/kg
ｅ２：復水器ファン消費電力    ；約15kW
ｆ２：蒸発器入口側蒸気        ；120℃、h=651kcal/kg
ｇ２：蒸発器出口側蒸気；60℃、0.2atm
ｈ２：第２発電機の出力        ；80kW
ｉ２：クーリングタワー消費電力；2kW
ｊ２：冷媒循環ポンプ消費電力  ；約５kW
上記の試算結果で示すように、ドレンタンク１３でドレン切りされたタービン排気蒸気の状態は、０．２気圧、６０℃、エンタルピー６２３kcal/kgである。この蒸気を蒸気ドラム１０内の第１熱交換器１７で過熱し１２０℃にしている。蒸気ドラム１０内の缶水温度は２５０℃程度である（圧力４５atg）。ボイラ１での生成蒸気量は、過熱熱量分に応じて減少する。しかしながら、タービン排気蒸気は相変化を伴わない気相状態での過熱であり過熱に必要な熱量（顕熱）は大きくないため、ボイラ１での生成蒸気量の減少は２％程度である。従って、第１蒸気タービン２での発電量は２％（１０ｋW）の減少となる。また、空冷式復水器１６へ送られる排気蒸気量が約半分となるため、復水器１６の空冷ファンの消費電力は約半分（約１５kW）減少する。
【００３１】
発電量・消費電力の増減は概ね以下のようになる。
【００３２】
−１０kW（第１蒸気タービン２の発電量低下分）+１５kW（復水器１６の空冷ファンの消費電力減少分）+８２kW（第２発電機３０の発電量）−５kW（冷却塔用冷媒循環ポンプ３２の消費電力）−２ｋW（冷却塔３３のクーリングタワー消費電力）＝８０ｋW  
従って、上記の試算によれば、図４の従来例に比較して、図１の本発明実施例は、発電量が約１７％増加することになる。
【００３３】
第２発電系統６の熱源として第１蒸気タービン２のタービン排気蒸気を直接使用することは、６０℃程度の排気蒸気温度であるのでバイナリ発電機のカタログ値等によると不可能である。また、第２発電系統６の発電効率からいうと１００℃以上の熱源でないと却って効率が低下することになる。
【００３４】
図２は、本発明に係る発電システムの第２参考形態を示す系統図である。第２参考形態の発電システムは、蒸気ドラム１０内ではなく、蒸気ドラム１０の外部に配置された第２熱交換器４０において、蒸気ドラム１０から排出された蒸気と第１蒸気タービン２の排気蒸気の少なくとも一部を熱交換させることにより過熱している点が上記第１参考形態の発電システムと異なる。第２熱交換器４０で過熱された過熱蒸気が蒸発器４の高温側熱媒として用いられ、第２発電系統６を循環する低沸点媒体を蒸発・過熱させる。その他の構成は上記第１参考形態と同様である。図示例では、ボイラ１及び過熱器１１で過熱された過熱蒸気は、管路４１を通って第１蒸気タービンに送られるが、管路４１から分岐する管路４２が第２熱交換器４０の高温側に接続されている。第２蒸気タービン２の排気蒸気は、第２熱交換器４０により、例えば、６０℃から１３０℃に過熱されて、蒸発器４の高温側に送られる。図示しないが、管路４２、４１に流量を調整するための弁等を適宜介在することができる。
【００３５】
図３は、本発明に係る発電システムの一実施形態を示す系統図である。一実施形態の発電システムは、第１蒸気タービン２の排気蒸気の一部又は全部を脱気器２４内の媒体と熱交換させることにより過熱し、得られた過熱蒸気を、蒸発器４の高温側熱媒として第２発電系統６の低沸点媒体を蒸発・過熱させる点が上記第１参考形態と異なり、その他の構成は上記第１参考形態と同様である。
【００３６】
即ち、本発明の実施形態では、ドレンタンク１３に接続された管路５１が、脱気器２４内の第３熱交換機５２に連通接続され、第３熱交換器５２は更に管路５３によって蒸発器４の高温側に接続されている。脱気器２４内の熱媒は、第１蒸気タービン２からの抽気蒸気による加熱により例えば１５８℃程度になっている。従って、第１蒸気タービン２から排出されたタービン排気蒸気は、ドレンタンク１３でドレン切りされ、管路５１を通って第３熱交換部５２で６０℃から１３０℃程度まで過熱されて蒸発器４の高温側に送られる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ボイラ
２  第１蒸気タービン
３  第１発電系統
４  蒸発器
５  第２蒸気タービン
６  第２発電系統
７  焼却炉
１０  蒸気ドラム
１１  過熱器
２４  脱気器  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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