(57)【要約】【課題】エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させることができるエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、エネルギー供給システムの改造方法を提供する。【解決手段】熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラ３０と、このボイラ３０からの蒸気で駆動する蒸気タービン５１及び廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器５４を有するヒートポンプ５０と、蒸気タービン５１から排出された蒸気及び熱交換器５４で加熱した蒸気を熱利用施設１に供給する蒸気供給系統７０とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン、及び廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と
を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項２】
熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン、及び前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記ボイラに循環させる循環ポンプと
を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項３】
燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機と、
この原動機の排出ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン、及び前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して設置温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮した熱媒体を前記ボイラに循環させる循環ポンプと
を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー供給システムにおいて、前記蒸気供給系統は、前記蒸気タービンから排出された蒸気と前記熱交換器で加熱した蒸気とを合流させ混合する合流器を有することを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー供給システムにおいて、前記蒸気供給系統は、前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を対応の熱利用施設に別々に供給することを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー供給システムにおいて、前記ヒートポンプは、廃熱又は周囲環境の熱を回収した媒体と前記熱交換器で熱交換させることにより前記熱媒体を加熱することを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー供給システムにおいて、前記ヒートポンプは、廃熱又は周囲環境の熱を前記熱交換器で直接流入させることで前記熱媒体を加熱することを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項８】
請求項３に記載のエネルギー供給システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記蒸気タービンとこの蒸気タービンで得られた動力により駆動する圧縮機又はタービンとを連結する可変減速機を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項９】
ボイラで熱媒体を加熱して得た蒸気で蒸気タービンを駆動するとともに、廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱交換器で熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成し、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する
ことを特徴とするエネルギー供給方法。
【請求項１０】
ボイラで熱媒体を加熱して得た蒸気で蒸気タービンを駆動するとともに、前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱交換器で熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成し、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給し、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記ボイラに循環させる
ことを特徴とするエネルギー供給方法。
【請求項１１】
原動機の排出ガスによりボイラで熱媒体を加熱して蒸気を生成し、
前記ボイラからの蒸気で蒸気タービンを駆動するとともに、前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱交換器で加熱して設定温度の蒸気を生成し、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給し、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記ボイラに循環させる
ことを特徴とするエネルギー供給方法。
【請求項１２】
蒸気を生成する既存のボイラに熱媒体を流通させるようになし、
このボイラで熱媒体を加熱して得た蒸気で駆動する蒸気タービンと廃熱又は周囲環境から得られる熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器とを有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と
を追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。
【請求項１３】
蒸気を生成する既設のボイラに熱媒体を流通させるようになし、
このボイラで熱媒体を加熱して得た蒸気で駆動する蒸気タービン、及び前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記ボイラに循環させる循環ポンプと
を追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。
【請求項１４】
燃焼エネルギーを駆動力に変換する既設の原動機に、この原動機の排出ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラを取り付け、さらに、
前記ボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン、及び前記ボイラで予熱した熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱して設置温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮した熱媒体を前記ボイラに循環させる循環ポンプと
を追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。
【請求項１５】
水を加熱して蒸気を生成するボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン、廃熱又は周囲環境から得られる熱により水を加熱し蒸気を生成する熱交換器、この熱交換器で生成した蒸気を圧縮する複数段の圧縮機、及びこれら圧縮機間で蒸気を流通させる経路上に水を供給する混合機を有するヒートポンプと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気及び前記圧縮機から排出された蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統と
を備えたことを特徴とするエネルギー供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱利用施設に熱エネルギーを供給するエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、既設の設備を利用したエネルギー供給システムの改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
システムのエネルギー効率の向上を狙ったものの１つとして、コジェネレーションシステムにヒートポンプを利用したものがある（特許文献１等参照）。ヒートポンプは大気の熱や廃熱等を取り込むものであり、上記従来技術では、ヒートポンプで生成した温水や冷水を設備内の洗浄水や冷却水等としてそれぞれ利用している。
【０００３】
また、電力発生を伴わないヒートポンプ単独のシステムでは、従来のフレオン系に代わり、水を媒体として利用することも提案されている（特許文献２等参照）。
【０００４】
【特許文献１】特公平７−４２１２号公報
【特許文献２】特開２００１−１４７０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱利用施設に熱エネルギーを供給する場合、温水や冷水を熱媒体としても媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を十分に確保することは難しい。そのため、上記従来技術を適用し、ヒートポンプを利用して得た温水や冷水を熱媒体として熱利用施設に供給する構成を採ったとしても、エネルギー供給システムの設置場所が熱利用施設に近い範囲に限定されてしまう。
【０００６】
また、ヒートポンプの熱媒体として水を利用すれば、エネルギー密度の高い水蒸気を熱媒体として用いられることが知られているが、密度が低い水蒸気を圧縮するのに必要な動力が大きく、実用化が限定されている。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させることができるエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、エネルギー供給システムの改造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、熱媒体を加熱して蒸気を生成するボイラと、このボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービンと、外部熱により熱媒体を加熱して設定温度の蒸気を生成する熱交換器を有するヒートポンプと、上記蒸気タービンから排出された蒸気及び上記熱交換器で加熱した蒸気を熱利用施設に供給する蒸気供給系統とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を飛躍的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明のコジェネレーションシステムの実施の形態について説明する。
【００１１】
（１）第１の実施の形態
図１は本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
図示したように、本システムは、燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機であるガスタービン１０と、ガスタービン１０から排出される燃焼ガス（排出ガス）を加熱源とするボイラ（廃熱回収ボイラ）３０と、ボイラ３０からの蒸気で駆動するヒートポンプ５０と、ヒートポンプ５０で生成した蒸気を熱利用施設１に供給する蒸気供給系統７０とを備えている。
【００１２】
（１−１．１）ガスタービン１０の構成
ガスタービン１０は、大気Ａを吸い込んで圧縮する圧縮機１１、圧縮機１１からの圧縮空気とともに燃料Ｂを燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生じさせる燃焼器１２、燃焼器１２からの燃焼ガスの膨張仕事により回転動力を得るタービン１３を備えている。燃焼器１２で用いる燃料には、天然ガスの他、天然ガスを主成分とする都市ガス、或いは灯油や軽油、Ａ重油等を用いることができる。本実施の形態では、圧縮機１１と同軸上に発電機１４が連結してあり、タービン１３で得られた回転動力が発電機１４に伝達され、電気エネルギーに変換される。但し、ガスタービン１０には、発電機に限らず、ポンプ等といった他の負荷機器が連結される場合もある。
【００１３】
（１−１．２）ボイラ３０の構成
ボイラ３０は、ガスタービン１０から排出された燃焼ガス（排出ガス）により熱媒体を加熱して蒸気を生成する。ボイラ３０の排出ガスの出口は、煙突４３に接続されている。煙突４３から大気放出される排出ガスＣ中の窒素濃度を低減する必要がある場合は、ボイラ３０に触媒を充填した脱硝装置（図示せず）を設け、ガスＣ中に含まれる窒素酸化物濃度の大部分を無害の酸素と窒素に分解することが好ましい。
【００１４】
ボイラ３０には、燃焼ガスの流れ方向下流側から低圧節炭器３１、高圧節炭器３２、高圧蒸発器３３、高圧過熱器３４の順で４つの熱交換器が備えられている。ボイラ３０では、これら４つの熱交換器３１〜３４によって排出ガスに含まれる熱エネルギーを回収し、循環ポンプ３５によって供給された熱媒体を加熱する。循環ポンプ３５は、ヒートポンプ５０から熱利用施設１に供給された後、熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体をボイラ３０に循環供給する役割を果たす。熱利用施設１での蒸気の使用条件や配管での腐食によって、熱媒体を浄化する必要がある場合は、循環ポンプ３５の前段にイオン交換樹脂を充填した脱塩装置（図示せず）等を設けることが好ましい。
【００１５】
循環ポンプ３５によりボイラ３０に導かれた熱媒体は、低圧節炭器３１、高圧節炭器３２、高圧蒸発器３３、高圧過熱器３４の順に流通する。低圧節炭器３１の熱媒体の流れ方向下流側には、分岐３６を介して分岐した配管３７，３８が接続している。配管３７は高圧ポンプ３９を介して高圧節炭器３２に接続し、配管３８は調整弁４０を介してヒートポンプ５０に接続している。高圧節炭器３２と高圧蒸発器３３は蒸気ドラム４１を介して接続され、さらに蒸気ドラム４１は最下流に位置する高圧過熱器３４に接続されている。また、高圧過熱器３４とヒートポンプ５０との間は、配管４２を介して接続してある。
【００１６】
なお、熱交換器３４，３３，３２，３１で熱媒体と熱交換し排出ガスが低温になると、排出ガス中に含まれる水蒸気が低圧節炭器３１の伝熱面等に凝縮して配管腐食を引き起こす可能性があるため、低圧節炭器３１等は耐食性に優れたステンレスやプラスチック材を配管材料に使用することが好ましい。場合によっては低圧節炭器３１等を排出ガスの流れ方向の上流側と下流側とに分割し、より低温になる下流側のみをステンレス製にしても良い。必要に応じてボイラ３０の排出ガス出口部分や煙突４３の内壁表面にステンレス又はプラスチック材を張っても良い。
【００１７】
（１−１．３）ヒートポンプ５０の構成
ヒートポンプ５０は、配管４２を介して供給されるボイラ３０からの熱媒体（蒸気）で駆動する蒸気タービン５１と、それぞれ蒸気タービン５１と同軸上に連結された二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３と、ボイラ３０において低圧節炭器３１によって予熱され分岐３６を介し配管３８に分流した熱媒体（高温水）を外部の熱（熱利用施設１の廃熱や周囲環境から得られる熱等）を利用して加熱する熱交換器（蒸発器）５４とを有する。蒸気タービン５１には配管４２を介して高圧過熱器３４が接続し、熱交換器５４には配管３８を介して低圧節炭器３１が接続している。
【００１８】
熱交換器５４内には、熱利用施設１に供給する熱媒体を加熱する加熱媒体を流通する配管５５が配設されている。配管５５は、加熱媒体の流れ方向下流側が二相流膨張タービン５２に、上流側が圧縮機５３にそれぞれ接続している。また、二相流膨張タービン５２は配管５６を介して蒸発器５７に接続し、蒸発器５７は配管５８を介して圧縮機５３に接続しており、加熱媒体が閉じた系で循環するようになっている。本実施の形態において、加熱媒体には例えばトリフルオロエタノール（ＴＦＥ）を用いれば良いが、二相流膨張タービン５２や圧縮機５３での圧力調整によって、熱利用施設１に供給する熱媒体を設定温度まで加熱させるに十分な温度まで昇温するのであれば、大気や水（例えば河川水）で代替しても良い。
【００１９】
上記蒸発器５７は、熱交換器５４に流通させる加熱媒体に外部の熱を取り込む役割を果たす。これにより熱交換器５４は、外部熱を回収した加熱媒体と熱交換させることによりボイラ３０からの熱媒体（高温水）を加熱する。例えば大気等を熱源とする場合等、熱源の熱伝達率が低いときは、図示したようにファン５９を設けて周囲環境と加熱媒体との熱交換効率を向上させるようにすることが考えられる。
【００２０】
（１−１．４）蒸気供給系統７０の構成
蒸気供給系統７０は、ヒートポンプ５０からの蒸気を熱利用施設１に適宜供給するための配管系統である。本実施の形態において、蒸気供給系統７０は、蒸気タービン５１の出口（又は抽気口）に上流側が接続した配管７１、熱交換器５４を介して配管３８に上流側が接続した配管７２、配管７１，７２の下流側に接続した合流器７３、合流器７３と熱利用施設１を接続する配管７４を有している。本実施の形態において、蒸気タービン５１から排出された蒸気、熱交換器５４で加熱された蒸気は、それぞれ配管７１，７２を流通し、合流器７３で合流して混合され熱利用施設１に供給される。
【００２１】
（１−１．５）本システムの構築
本システムを構築する場合、勿論、システム全体を新たに構築しても良いが、既設の原動機やボイラ等が存在する場合、それら既存設備を利用して改造することも可能である。
【００２２】
例えば、ガスタービン１０が既に存在している場合、ガスタービン１０にボイラ３０を取り付け、ガスタービン１０の排出ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するようになす。そしてヒートポンプ５０を追設してボイラ３０に接続し、ボイラ３０からの蒸気で蒸気タービン５１が駆動するとともに、ボイラ３０で予熱した熱媒体が熱交換器によって加熱されて蒸気を生成されるようにする。次にヒートポンプ５０と熱利用施設１とを蒸気供給系統７０で接続し、蒸気タービン５１から排出された蒸気と熱交換器５４で加熱した蒸気とが熱利用施設に供給されるように構成し、熱利用施設１で熱利用されて凝縮した熱媒体が循環ポンプ３５によってボイラ３０に循環されるように構成する。
【００２３】
また、ボイラ３０（或いは他のボイラ）が既に存在する場合は、既存のボイラに熱媒体を流通させるようになし、上記と同じ要領で、ヒートポンプ５０、蒸気供給系統７０、循環ポンプ３５を設ければ良い。また、本例では、ヒートポンプ５０の熱交換器５４に供給する熱媒体に、蒸気タービン５１を駆動する熱媒体から分流した熱媒体を使用しているが、他に熱媒体の供給源がある場合は両者の熱媒体の供給源を別々にしても良い。
【００２４】
次に上記構成の本実施の形態におけるエネルギー供給システムの動作を説明する。
（１−２．１）ガスタービン１０の動作
フィルタ（図示せず）を通して異物を除去された大気Ａが圧縮機１１に吸い込まれると、圧縮機１１によって圧縮されて設定圧力（例えば８気圧程度）に加圧される。圧縮機１１に吸い込まれた空気は、加圧されることで設定温度（例えば２５０［℃］程度）まで加熱される。圧縮機１１からの圧縮空気は、燃料Ｂとともに燃焼器１２で燃焼され、これにより高温・高圧の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスがタービン１３に供給されると、燃焼ガスの膨張仕事によりタービン１３の回転動力が得られ、回転動力が発電機１４に伝達されて電気エネルギーが得られる。
【００２５】
（１−２．２）ボイラ３０の動作
ボイラ３０には、タービン１３で膨張仕事をして排出された燃焼ガス（排出ガス）が熱源として供給される。ボイラ３０に供給される排出ガスは、タービン１３の出口付近では高温（例えば５６０［℃］程度）であるが、煙突４３から排出されるまでに熱交換器３４，３３，３２，３１を通過する際、循環ポンプ３５により供給された熱媒体と順次熱交換し温度が低下する。
【００２６】
熱利用施設１で熱源として利用されて凝縮した所定温度（例えば３０［℃］程度）の熱媒体は、まず循環ポンプ３５で設定圧力（例えば０．６［ＭＰａ］程度）に加圧される。その後、低圧節炭器３１に供給されて設定温度（例えば１００［℃］程度）に昇温した高温水の状態の熱媒体は、低圧節炭器３１の圧力損失で所定圧力（例えば０．５［ＭＰａ］）に圧力を下げ、分岐３６を介して配管３７，３８に分流する。このときの配管３７，３８に分流する熱媒体の流量割合は調整弁４０の開度により調整される。
【００２７】
配管３７に導かれた熱媒体は、高圧ポンプ３９で設定圧力（例えば５．４［ＭＰａ］程度）に加圧され、更に高圧節炭器３２で飽和温度（２６９［℃］）近くまで加熱される。蒸気ドラム４１に供給されると、飽和水となった熱媒体は、高圧蒸発器３３において自然循環方式で排出ガスの熱エネルギーによって加熱され蒸気に相変化する。蒸気ドラム４１内では、密度差によって飽和水と飽和蒸気とが区分され、上部の気相部分から高温過熱器３４に飽和蒸気が移送される。高温過熱器３４で設定の温度及び圧力（例えば４５０［℃］程度、５．０［ＭＰａ］程度）に昇温昇圧され過熱蒸気となった熱媒体は、ヒートポンプ５０の動力源である蒸気タービン５１に供給される。
【００２８】
（１−２．３）ヒートポンプ５０の動作
高圧過熱器３４を出た設定圧力（例えば５．０［ＭＰａ］程度）の熱媒体（過熱蒸気）は、蒸気タービン５１から排出されて膨張仕事をし、熱利用施設１で熱源として用いられる際の設定圧力（例えば０．４［ＭＰａ］程度）まで減圧される。蒸気タービン５１で得られた回転動力は、二相流膨張タービン５２及び圧縮機５３に伝達されそれらを駆動する。
【００２９】
配管５８を流れる所定圧力（例えば０．０３［ＭＰａ］程度）の加熱媒体（ＴＦＥ等）は、圧縮機５３によって圧縮され設定圧力（例えば１．１［ＭＰａ］程度）まで加圧される。圧縮に伴って昇温した加熱媒体は、配管３８を介してボイラ３０から供給された所定温度（例えば１００［℃］程度）の熱媒体と熱交換器５４で熱交換する。これによって熱媒体は蒸発し、設定の温度及び圧力（例えば１４０［℃］、０．４［ＭＰａ］程度）の飽和蒸気となる。
【００３０】
熱交換器５４で熱媒体と熱交換した加熱媒体は凝縮して液体となり、二相流膨張タービン５２で設定圧力（例えば０．０３［ＭＰａ］）まで断熱膨張するとき、一部が蒸発した二相流となって設定温度（例えば４５［℃］程度）まで温度を低下させる。ヒートポンプ５０の加熱媒体は、このようにして低圧に膨張して温度低下することで、外部からの熱を極めて効率的に吸収できるようになる。二相流の状態の加熱媒体は、蒸発器５７で熱利用施設１の所定温度（例えば５０［℃］程度）の廃熱等で加熱され蒸気に相変化する。適切な工場廃熱が存在しない場合には更に圧力を下げ、前述したように大気の熱で蒸発させることも考えられる。大気等の気体は伝熱効率が低いので、図示したようにファン５９を設けて伝熱を促進してやると、蒸発器５７での熱交換が効率向上する。
【００３１】
（１−２．４）蒸気供給系統７０の動作
蒸気タービン５１から排出された蒸気と熱交換器５４で得られた蒸気は、それぞれ配管７１，７２を流通し合流器７３で混合された後、配管７４を介して熱利用施設１に供給され加熱源として利用される。そして、熱利用施設１内で熱を放出して凝縮した熱媒体は熱利用施設１から排出され、適宜浄化処理された上で循環ポンプ３５に戻り、再び循環ポンプ３５によってボイラ３０に循環供給される。
【００３２】
（１−３）作用効果
本実施の形態においては、熱利用施設１に対して蒸気の状態の熱媒体を供給することにより、熱媒体を液体の状態のまま供給する場合に比べ、媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上させることができる。したがって、熱を輸送する動力を小さくできるので、本システムの設置場所は対応の熱利用施設１に近い範囲に限定されることもなく、幅広い適用が可能となる。また、熱利用施設１に供給する蒸気を生成するのにヒートポンプ５０を利用することにより、ボイラ５０の熱エネルギー、言い換えればガスタービン１０に投入する燃料エネルギーに加えて、利用されることなく放出される熱利用施設１の廃熱や無限に存在する周囲環境の熱エネルギーを系内に取り込むことができ、エネルギー効率も飛躍的に向上させることができる。
【００３３】
例えば、熱利用施設１で要求される熱媒体温度が５０［℃］だとして、ヒートポンプ５０から搬送されるまでの温度低下を考慮して１００［℃］の高温水を生成する場合、輸送する媒体重量当りの熱エネルギー量は計算上では０．２１［ＭＪ／ｋｇ］である。それに対し、１００［℃］の蒸気を生成する場合、潜熱が大きいので媒体重量当たりの熱エネルギー量は計算上では２．７［ＭＪ／ｋｇ］となる。この場合、蒸気の状態で熱利用施設１に熱媒体を供給することにより、高温水を用いる場合に比べて輸送する媒体重量当たりの熱エネルギーが１３倍も大きくなる。
【００３４】
また、ボイラ３０において、例えば高温蒸発器３４で熱媒体を完全に気化させて設定の温度及び圧力（例えば４５０［℃］、５．０［ＭＰａ］程度）の蒸気を生成する場合を考える。この場合、低圧節炭器３１に供給される熱媒体の温度が３０［℃］だとすると、そのエンタルピは１２５［ｋＪ／ｋｇ］である。対して、４５０［℃］の過熱蒸気のエンタルピは３３１５［ｋＪ／ｋｇ］なので、熱媒体を４５０［℃］まで昇温させるには、ボイラ３０において熱媒体に３１９０［ｋＪ／ｋｇ］の熱量を加える必要がある。高圧蒸発器３３に流入する時点の熱媒体が２６９［℃］の飽和水だとすると、その状態から４５０［℃］の過熱蒸気に相変化するまで熱媒体を加熱するのに要する熱量は２１３７［ｋＪ／ｋｇ］となり、ボイラ３０全体で必要となる交換熱量（３１９０［ｋＪ／ｋｇ］）の６７％を占める。
【００３５】
このとき、高圧蒸発器３３にて排出ガスから熱媒体（飽和水）へ伝熱するためには、高圧蒸発器３３付近の排出ガスは、飽和温度（２６９［℃］）より１０［℃］以上高くなければならず、少なくとも２７９［℃］の温度が必要である。この場合、タービン１３から排出された直後の排出ガスが５６０［℃］だとすると、高圧蒸発器３３付近で２７９［℃］までに２８１［℃］温度が低下する。
【００３６】
一方、ボイラ３０に供給された３０［℃］の熱媒体を高温蒸発器３３に流入するまで２６９［℃］に加熱するのに必要な熱量は１１７８［ｋＪ／ｋｇ］である。この熱量は、熱媒体を２６９［℃］から４５０［℃］まで昇温させるのに要する熱量（２１３７［ｋＪ／ｋｇ］）の５０％程度と小さく、ボイラ３０の排出ガス出口において排出ガス温度は１４０［℃］程度までしか下がらない。この場合、ボイラ３０の出口付近での排出ガス温度（１４０［℃］）と大気温度との差分の熱エネルギーが未利用のまま大気放出され、その分がエネルギーロスとなってしまう。
【００３７】
そこで本実施の形態においては、大気放出される排出ガスＣの未利用の熱量を有効活用するために、低圧節炭器３１で高温水となった熱媒体（例えば１００［℃］程度）のうちの４５％を分流してヒートポンプ５０の熱交換器５４に供給する。これにより、大気放出される排出ガスＣの未利用分の熱量を利用してヒートポンプ５０で加熱する熱媒体を予熱することができ、ヒートポンプ５０のエネルギー効率をさらに向上させることができる。また、大気放出される排出ガスＣの温度も低下させることができ、熱的なエネルギーロスも低減することができる。例えばボイラ３０に供給される３０［℃］の熱媒体を低圧節炭器３１で１００［℃］程度に加熱する場合、大気放出される排出ガスＣの温度は１４０［℃］から大気温度近く（例えば６０［℃］以下程度）に低下し、燃焼器１２に投入した燃料エネルギーがほぼ全て回収される。
【００３８】
また、ヒートポンプ５０の性能を示すエネルギー消費効率（ＣＯＰ）は、圧縮機５３でヒートポンプ５０に与えられる動力と熱交換器５４で生成する蒸気に与えられる熱量との比で定義される。熱交換器５４で熱媒体の加熱に用いられる熱量は、蒸発器５７で加熱媒体中に回収した外部からの熱量と圧縮機５３で加熱媒体を加圧する際の動力の合計で表される。ＣＯＰ値をパラメータとして、燃焼器１２に投入された燃料のエネルギーを分母とし、発電機１４の発電量と熱利用施設１に供給される熱量の合計を分子とすると、システム各所の熱媒体や排出ガス温度が先に挙げたような挙動を示す場合、ＣＯＰ値が１．７を超えるとシステムの総合効率は１００％を超え、ＣＯＰ値を５まで向上させると１２８％になる。これは、燃焼器１２に投入される燃料のエネルギーとは別に、蒸発器５７で外部から熱エネルギーを取り込んでいる効果である。また、ボイラ３０で循環ポンプ３５と高圧ポンプ３９で用いる動力も熱媒体の加熱に寄与している。
【００３９】
一般的なコジェネレーションシステムの総合効率は８０％程度であるが、それに比較して本システムの総合効率は極めて高く、計算上、総合効率８０％のシステムに対して本システムでは地球温暖化に影響するＣＯ２の発生量を３７％程度も削減することが可能である。本システムにおける熱的損失は、ボイラ３０から大気放出される排出ガスＣと圧縮機１１に吸い込まれる大気Ａとの温度差分の熱量である。したがって、この熱損失よりも大きな熱量を蒸発器５７で外部から取り込めば本システムの総合効率は１００％を超える。
【００４０】
また、本実施の形態では、蒸気タービン５１で得られた動力を電力に変換することなく、全てヒートポンプ５０の圧縮機５３や二相流膨張タービン５２の駆動力に用いられるので、ヒートポンプ５０において電力変換に伴う損失もない。また、蒸気タービン５１で膨張仕事をした後の蒸気とヒートポンプ５０で生成した蒸気とを混合し共通の蒸気配管７４で熱利用施設１に輸送することで、無駄なくより多くの熱媒体を熱利用施設１に供給することができる。これらの点も本システムの大きなメリットである。
【００４１】
さらには、利用されることのない廃熱を大気放出する原動機設備、或いはボイラ設備等が既に存在している場合、そうした既存の設備を利用して容易にシステムを構築することができることも、本システムの大きなメリットである。
【００４２】
（２）第２の実施の形態
図２は本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図２に示したように、本実施の形態が、第１の実施の形態と相違する点は、ヒートポンプ５０Ａの構成にあり、前述したＴＦＥ等といった加熱媒体を用いずに加熱媒体のサイクルにボイラ３０からの熱媒体を供給し、そのサイクルにより得られた蒸気を熱利用施設１に供給するようにした点である。その結果、熱利用施設１に供給される熱媒体とそれを加熱する加熱媒体との間で熱交換するための熱交換器（図１の熱交換器５４）が省略されている。
【００４３】
ヒートポンプ５０Ａは、配管４２を介して供給されるボイラ３０からの熱媒体（蒸気）で駆動する蒸気タービン５１と、蒸気タービン５１と同軸上に連結された二相流膨張タービン５２Ａ及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂと、配管３８を介してボイラ３０から供給される熱媒体（高温水）を外部の熱（熱利用施設１の廃水や大気等）を利用して加熱する熱交換器（蒸発器）５４Ａとを有する。
【００４４】
本実施の形態において、低圧節炭器３１からの配管３８は、二相流膨張タービン５２Ａに接続している。二相流膨張タービン５２Ａは熱交換器５４Ａを介して前段の圧縮機５３Ａに接続し、圧縮機５３Ａは配管６０、混合機６１、配管６２を介して後段の圧縮機５３Ｂに接続している。また、低圧節炭器３１と二相流膨張タービン５２Ａを結ぶ配管３８には分岐８０が設けられており、この分岐８０を介して配管３８から分岐した配管８１が先の混合機６１に接続している。配管８１には調整弁８２が設けられており、この調整弁８２の開度によって配管３８，８１に分流する熱媒体の流量割合が調整されるようになっている。
【００４５】
熱交換器５４Ａには、熱利用施設１等の廃水や大気等を通す配管８３が設けられている。熱交換器５４Ａ内部には仕切り８４が設けられており、二相流膨張タービン５２Ａ側と圧縮機５３Ａ側とで上部空間が区画されている。
【００４６】
その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、また同様にして既設の原動機やボイラを利用してシステムを構築することができる。加えて、本実施の形態においては、以下に述べるような作用効果がある。
【００４７】
本実施の形態のようにヒートポンプ５０Ａの媒体にボイラ３０から供給される熱媒体を利用することにより、例えば、ほぼ飽和条件まで加熱された熱媒体が二相流膨張タービン５２Ａに流入するようにシステムを設計すると、二相流膨張タービン５２Ａで大きな動力を得ることができる。
【００４８】
そこで、例えばボイラ３０の低圧節炭器３１の出口で熱媒体が飽和条件に近い１３０［℃］，０．５［ＭＰａ］程度の高温水となるようにした場合、調整弁８２の開度を調整することで分岐８０を介して８０％の割合で二相流膨張タービン５２Ａに熱媒体が供給され、その熱媒体が二相流膨張タービン５２Ａによって０．０１［ＭＰａ］，４６［℃］程度まで減圧されるようにする。熱交換器５４Ａに供給される熱媒体は、二相流膨張タービン５２Ａでの膨張過程で所定割合（例えば１４％程度）が蒸発し二相流をなしており、蒸気相と分離した液相が熱交換器５４Ａの下部に滞留する。この場合には、５０〜６０［℃］程度の工場廃熱や都市廃熱を利用することで液相は加熱されて蒸発する。二相流膨張タービン５２Ａの出口圧力をさらに（例えば０．００２［ＭＰａ］程度まで）低下させた場合、それに伴って熱交換器５４Ａの内部の温度がさらに（例えば１８［℃］程度まで）低下するので、この場合、無限に存在する大気の熱を利用して熱媒体を蒸発させることも可能である。
【００４９】
熱交換器５４Ａ上部空間に存在する所定圧力（例えば０．０１［ＭＰａ］程度）の蒸気は、圧縮機５３Ａ，５３Ｂによって（例えば０．４［ＭＰａ］程度まで）加圧され熱源として熱利用施設１に供給される。前段の圧縮機５３Ａと後段の圧縮機５３Ｂとの間の混合器６１では、分岐８０から分岐した配管８１を介して高温水の状態の熱媒体が噴霧され、圧縮機５３Ａから圧縮機５３Ｂに供給される熱媒体を温度低下させる。
【００５０】
これは、例えば０．０１［ＭＰａ］の蒸気を０．４［ＭＰａ］まで圧縮する場合、仮に圧縮効率が１００％であったとしても途中で冷却しないと蒸気温度が４９０［℃］程度に達し、圧縮効率が８５％程度であれば蒸気温度は約５５０［℃］にもなってしまうためである。この場合、０．０１［ＭＰａ］の熱媒体（水）の飽和温度４６［℃］から５５０［℃］の温度差に相当するエネルギーが圧縮機５３Ａ，５３Ｂの動力として必要になる。気体の圧縮では、気体密度が低いほど所要の圧縮動力が増加する。そこで、調整弁８２で流量を制御して分岐８０から分岐させ、０．５［ＭＰａ］の高温水を混合器６１に注入し、圧縮過程の蒸気に噴霧して温度を低下させる。
【００５１】
本実施の形態では、２つの圧縮機５３Ａ，５３Ｂを設けてその間に混合器６１を設けているが、圧縮機の動力を低下させるためには、圧縮機を３つ以上設けて隣接する圧縮機の間毎に混合器を設ける構成とすることも考えられる。
【００５２】
このように、本実施の形態においては、圧縮機５３Ａから流出する過熱蒸気の状態の熱媒体に水蒸気を噴霧することで、過熱蒸気の温度を飽和温度まで容易に低下させることができる。また熱媒体を噴霧する場合、若干湿り蒸気になるまで熱媒体を噴霧することも考えられる。この場合、後段の圧縮機５３Ｂの入口では熱媒体は湿り蒸気の状態であるが、圧縮機５３Ｂの内部で水滴は蒸発する。こうして圧縮機５３Ｂの内部の温度上昇が抑制できるので、全体として圧縮機動力を低減することができる。圧縮機５３Ｂの出口で水蒸気温度が熱利用施設１で利用する温度（例えば１４０［℃］程度）になるように、合流器６１での熱媒体の噴霧量を調整すると効率が良い。
【００５３】
また、圧縮機５３Ａ，５３Ｂで使用する動力は、蒸気タービン５１と二相流膨張タービン５２Ａによって供給される。ヒートポンプ５０の媒体に熱利用施設１に供給する熱媒体を用いたことで、圧縮機５３Ａ，５３Ｂの中間で熱媒体を直接噴霧して冷却することが可能となり、ＴＦＥ等の専用の加熱媒体を用いて熱媒体を間接冷却する場合に必要となる大型の熱交換器（図１の例では熱交換器５４）が不要となる。先の図１でヒートポンプ５０重量の半分以上は２つの蒸発器５４，５７の重量が占めるので、本実施の形態のようにその一方を省略できることは設備の簡素化に大いに役立つ。また、熱媒体をＴＦＥ等の他の加熱媒体と熱交換して熱媒体を加熱する場合、加熱される熱媒体と加熱する加熱媒体との温度差が必要であったが、それも不要となり効率が向上する。
【００５４】
また、本実施の形態の場合、熱交換器５４Ａの圧力が低く（例えば０．０１［ＭＰａ］程度）、二相流膨張タービン５２Ａの出口及び圧縮機５３Ａの入口における流体密度が小さくなる。そこで、図示したように、二相流膨張タービン５２Ａの出口と圧縮機５３Ａの入口を熱交換器５４Ａの上部空間と連結することで、途中で流体を高速化しなければならないような配管を不要とすることができる。また、熱交換器５４Ａの内部を仕切り８４で区画することにより、二相流膨張タービン５２Ａ出口での水滴が圧縮機５３Ａに直接流入することを防止することができる。熱交換器５４Ａの内部で液相部分は静止するが、液相と配管８３との間で熱交換効率が悪い場合、液相を強制的に流動させる攪拌機（図示せず）と内部仕切り（図示せず）を設けて均質な流れを作って伝熱を促進するとなお良い。
【００５５】
（３）第３の実施の形態
図３は本発明の第３の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図３に示したように、本実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、発電出力と熱出力の割合を可変に構成した点にあり、可変減速機８５を介して蒸気タービン５１と圧縮機５３Ｂの駆動軸を連結した点である。
【００５６】
また、蒸気タービン５１の出口には、蒸気タービン５１から排出されて膨張仕事をした蒸気を復水させる復水器８６が配管８７を介して接続されている。復水器８６は、熱利用施設１と循環ポンプ３５とを接続する配管８８に設けた合流器８９に配管９０を介して接続している。配管８８，９０には調整弁９１，９２がそれぞれ設けられている。さらに、蒸気タービン５１の抽気口と合流器７３を接続する配管７１には、調整弁９３が設けられている。
【００５７】
その他の構成については、前述した第２の実施の形態と同様であり、本実施の形態においても第２の実施の形態と同様の効果を得ることができ、また同様にして既設の原動機やボイラを利用してシステムを構築することができる。加えて、本実施の形態においては、以下に述べるような作用効果がある。
【００５８】
まず、圧縮機５３Ａ，５３Ｂは、二相流膨張タービン５２Ａと蒸気タービン５１の他にガスタービン１０とも同軸上に連結されているので、圧縮機５３Ａ，５３Ｂの動力にタービン１３で得た回転動力を利用することができる。圧縮機５３Ａ，５３Ｂを駆動してなお余る動力は、発電機１４によって電気エネルギーに変換される。
【００５９】
また、熱利用施設１等で必要となる熱と電力の割合は変動する。それに対し、本システムではトータルのエネルギー供給量に占める熱供給の割合を０％（電力供給１００％）から１００％（電力供給０％）まで連続的に変化させることができる。
【００６０】
電力のみを供給する場合、調整弁４０を閉じてヒートポンプ５０Ａ（熱交換器５４Ａ）で生成する蒸気流量を０（ゼロ）にする。この状態としたらボイラ３０において高圧過熱器３４により最終的に生成される過熱蒸気条件に合致するように循環ポンプ３５の回転数を制御して、ボイラ３０に対する熱媒体の供給量を調整する。このように調整弁４０を閉止して配管３８に熱媒体を流通させない場合、ボイラ３０から排出される排出ガスＣの温度は上昇する。
【００６１】
ここで、循環ポンプ３５によるボイラ３０への熱媒体の供給量は、ボイラ３０において熱媒体に与えられる熱量を、単位流量当りに必要な熱量で除算することで決定できる。なお、ボイラ３０において熱媒体に与えられる熱量は、タービン１３出口及びボイラ３０出口における排出ガスの温度差とタービン１３から排出される排出ガス流量とから計算できる。また単位流量当りに必要な熱量は、循環ポンプ３５出口での熱媒体のエンタルピと高圧過熱器３４出口での熱媒体のエンタルピの差から分かる。
【００６２】
調整弁９３を閉じ、蒸気タービン５１から抽気した熱媒体の熱利用施設１への供給を遮断して調整弁９２を開くと、蒸気タービン５１を駆動した熱媒体は全て復水器８６に供給され凝縮して水に戻る。二相流膨張タービン５２Ａ及び圧縮機５３Ａ，５３Ｂには熱媒体が流れないので、可変減速機８５を切り離し蒸気タービン５１との連結を解くことで、エネルギーロスを軽減することができる。
【００６３】
一方、電力と熱を同時に熱利用施設１に供給する場合、調整弁４０の開度と循環ポンプ３５の回転数を制御することにより、分岐３６を介してヒートポンプ５０と高圧節炭器３２に供給される熱媒体の流量割合を調整する。圧縮機５３Ａ，５３Ｂの中間点で過熱蒸気の状態の熱媒体に噴霧する熱媒体流量は、調整弁８２の開度を調整することにより、圧縮機５３Ｂに流入する熱媒体の流量に対して一定割合となるようにする。
【００６４】
ヒートポンプ５０Ａの性能は蒸発器５４Ａの圧力で決まるので、所定の圧力になるように圧縮機５３Ａ，５３Ｂの回転数を可変減速機８５で制御する。熱需要が少ない間は調整弁９３を閉じて蒸気タービン５１の出力を最大にする。蒸発器５４Ａでの熱媒体の蒸発能力が十分に発揮されるまで二相流膨張タービン５２Ａの流量を増加させた後、更に熱出力を増加させる需要がある場合には、調整弁９３の開度を大きくし、合流器７３に導かれる熱媒体を増加させる。調整弁９３の開度を大きくしていくと、合流器７３に導かれる熱媒体流量が増加し、それに伴って蒸気タービン５１の出力が低下して発電機１４の発電量が低下する。発電量が０（ゼロ）になった時点でシステム全体での熱出力が最大となる。
【００６５】
蒸気タービン５１から排出される蒸気を復水器８６に導いて凝縮させると、その凝縮熱は冷却水に回収されて外部へ放出される。したがって、煙突４３から排出される排出ガスＣの持つ熱量とこの凝縮熱がシステムの熱損失となる。熱エネルギー最大の条件で調整弁９２を閉じて復水器８６に熱媒体が流れないようにすると、システムの総合エネルギー効率は最も高い値を示すことになる。
【００６６】
熱出力のみのエネルギー供給とする場合、熱利用施設１に供給できる熱媒体のエネルギーと燃焼器１２に供給する燃料のエネルギーの比率は、蒸発器５４Ａで利用できる廃熱の温度と圧縮機５３Ａ，５３Ｂの効率によっては１８０〜２２０％の範囲になる。一般のボイラでは利用できる蒸気のエネルギーは、投入される燃料エネルギーの９０％程で１００％を超えることはないが、本システムにおいては、ガスタービン１０で得られる動力もヒートポンプ５０Ａの駆動力に用いることにより、熱利用施設１に供給可能なトータルのエネルギー量は、燃焼器１２に供給される燃料エネルギーの他に蒸発器５４Ａで大気や廃熱のエネルギーを利用できることで、条件によって２００％を超えることも可能となる。
【００６７】
（４）第４の実施の形態
図４は本発明の第４の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図４に示したように、本実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、蒸気タービン５１から排出されて膨張仕事をした蒸気と熱交換器５４Ａで加熱した蒸気とをそれぞれ異なる対応の熱利用施設１Ａ，１Ｂに供給するように構成した点である。
【００６８】
本実施の形態において、蒸気供給系統７０は、蒸気タービン５１と工場等の熱利用施設１Ａとを接続する配管７５と、圧縮機５３Ｂと温水プール等の別の熱利用施設１Ｂとを接続する配管７６とを備えており、蒸気タービン５１を駆動した熱媒体と熱交換器５４Ａで加熱された熱媒体とをそれぞれ配管７５，７６を介して熱利用施設１Ａ，１Ｂに供給するようになっている。熱利用施設１Ａ，１Ｂで利用されて凝縮した熱媒体は、それぞれ熱利用施設１Ａ，１Ｂから排出された後、合流器９４で合流して循環ポンプ３５に戻される。
【００６９】
その他の構成については、前述した第２の実施の形態と同様であり、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、複数の熱利用施設に適宜熱媒体を供給することができる。また、同様にしてシステムを構築することもできる。本実施の形態では、第２の実施の形態のシステムで複数の熱利用施設にエネルギー供給する場合を例にとって説明したが、先に説明した他の実施の形態によって複数の熱利用施設にエネルギー供給する場合にも適用可能である。
【００７０】
（５）第５の実施の形態
図５は本発明の第５の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。この図において、先の各図と同様の部分及び同様の役割を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図５に示したように、本実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、ヒートポンプ５０を駆動する蒸気（熱媒体）を発生させる熱源として、原動機（ガスタービン１０等）の廃熱でなく、例えば清掃工場等といった各種施設に設置されているボイラ３０Ａを用いている点である。ボイラ３０Ａには、清掃工場の焼却炉ボイラ等が挙げられるが、これに限らず、その他重油や古タイヤを燃料とするボイラ等、熱媒体を加熱して蒸気に変換できるものであれば足りる。本実施の形態では、ヒートポンプ５０Ａで熱媒体を加熱する加熱媒体として、ポンプ９５によって河川９６から汲み上げた水を熱交換器５４Ａに導いている。本システムでは、このような構成によって、ボイラ３０Ａに設けた熱交換器３０Ａａで得られる熱量に河川水から得た熱量を加え、温水プール等の熱利用施設１に高効率で熱エネルギーを供給するようになっている。
【００７１】
熱利用施設１から戻される熱媒体は循環ポンプ３５で設定圧力（例えば７［ＭＰａ］程度）まで加圧してからボイラ３０Ａに供給し、熱交換器３０Ａａで加熱する。高温高圧水となった熱媒体は配管３８を介して膨張タービン５２Ａに供給され、ヒートポンプ５０Ａを駆動する蒸気タービン７３には高圧の過熱蒸気となった熱媒体が配管４２を介して供給される。熱媒体が水の場合、膨張タービン５２Ａで０．００２［ＭＰａ］程度まで膨張すると、飽和温度が１７．５［℃］となるので河川９６の保有する無制限の熱で蒸発する。河川９６の水はポンプ７９により配管８３を介して熱交換器５４Ａに供給される。河川水の汚染度合が高い場合には、配管８３の途中にフィルタを設けて不溶性物質を除去する。
【００７２】
蒸発した飽和蒸気は圧縮機５３Ａ，５３Ｂで設定圧力（例えば０．４［ＭＰａ］程度）まで圧縮される。圧縮機５３Ａ，５３Ｂの圧縮動力を削減するために、圧縮機５３Ａ，５３Ｂの中間で高温水の状態の熱媒体を噴霧して冷却する。圧縮機５３Ａ，５３Ｂを駆動する動力には、蒸気タービン５１で設定圧力（例えば７［ＭＰａ］程度）の過熱蒸気の状態の熱媒体を熱利用施設１で使用する圧力（例えば０．４［ＭＰａ］程度）まで減圧する際のエネルギーが利用される。蒸気タービン５１を出た蒸気と圧縮機５３Ｂを出た蒸気は合流器７３で混合され、熱利用施設１に熱源として供給される。
【００７３】
本実施の形態においても、前述した各実施の形態と同様の効果を得ることができ、また同様にして既設のボイラを利用してシステムを構築することができる。既設のボイラ３０Ａで発生する蒸気のみを熱利用施設１に供給するのと比較して、河川９６の熱をも利用することにより、条件によっては同一のボイラ３０Ａから供給できる熱量を１．８倍程度に増加することも可能である。
【００７４】
なお、以上の各実施の形態では、熱利用施設に供給する熱媒体に水を用いる場合を説明したが、熱媒体は閉じた系を循環し外部に流出することがないので、例えば二酸化炭素やアンモニア、トリフルオロエタノール等といった他の媒体を熱媒体に使用しても良い。勿論、こうした他の媒体を単独で熱媒体として用いても良いが、場合によっては複数種類を混合しても良いし、水と混合して使用しても良い。また、熱媒体に無害かつ混合可能な媒体を用いる場合、必ずしも閉じた系にする必要はなく、その場合には蒸気タービン５１を駆動する熱媒体とヒートポンプ５０，５０Ａで過熱する熱媒体を異なる供給源から供給するように構成しても良い。さらに、複数の熱媒体を用いる場合、蒸気タービン５１を駆動する熱媒体とヒートポンプ５０，５０Ａで加熱する熱媒体を異なる熱利用施設に供給し、それぞれを閉じた系で循環させる場合には、必ずしも両熱媒体は混合可能なものでなくても良い。
【００７５】
（６）第６の実施の形態
図１では熱利用施設１で利用された熱媒体は、凝縮して循環ポンプ３５に戻る構成になっている。しかし、本実施の形態では、熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体をボイラ３０に循環供給する配管を設けず、熱利用施設１以外から循環ポンプ３５に熱媒体を供給することを特徴とする。
【００７６】
熱利用施設１では、蒸気供給系統７０から供給される水蒸気（熱媒体）の熱のみを利用するだけでなく、水蒸気を反応プロセスに用いることも想定される。反応プロセスに用いた後の水蒸気は直接ヒートポンプに循環利用することが困難である。そこで、本実施の形態では熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体をボイラ３０に循環供給する配管を設けず、河川や地下水といった熱利用施設１以外からの水を浄化して循環ポンプ３５に供給する。このようなシステム構成であれば、熱利用施設１から循環ポンプ３５への戻り配管を設置する必要が無いので、ヒートポンプ５０と熱利用施設１との距離が遠いほど設備費用を低減できる効果が大きい。
【００７７】
（７）第７の実施の形態
第２の実施の形態に示す図２では、ヒートポンプ５０の熱媒体に熱利用施設１に供給する熱媒体を用いる構成になっている。そこで、本実施の形態では熱媒体に水を用いた場合について説明する。
【００７８】
ここで、従来のヒートポンプと同一構成であって、単に熱媒体を水に替えたときのシステム構成と比較して説明する。図６は、従来のヒートポンプであって、熱媒体に水を利用したエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。既に説明した図２と比較すると、ヒートポンプ５０Ａの圧縮機５３が１つであり、低圧節炭器３１と二相流膨張タービン５２Ａを結ぶ配管３８から分岐させて接続された混合機６１を備えていない。図６の場合、ヒートポンプ５０Ａの圧縮機５３で気体を圧縮するときの温度上昇は、気体密度が小さいほど大きくなる。例えば、０．０１［ＭＰａ］４６［℃］における水蒸気の密度は０．０６８ｋｇ／ｍ３となり、冷媒の一つであるＲ−１１の０．５２ｋｇ／ｍ３の１３％しかない。従って、Ｒ-１１の場合０．４［ＭＰａ］まで圧縮しても１８５［℃］までしか温度が上昇しないが、水蒸気では４９０［℃］まで上昇する。そして、水の０．４［ＭＰａ］における飽和温度は１４４［℃］であるため、１４４［℃］から４９０［℃］まで温度上昇させる動力は単に熱に変わるのみであり、システム効率は大幅に低下する。従って、従来のヒートポンプと同一構成で、単に熱媒体を水に替えるだけでは効率低下が大きくなりすぎ、実用化が困難である。
【００７９】
そこで、本実施の形態の図２に示すように、ヒートポンプ５０Ａの圧縮機５３を複数段に分割し、その中間で水蒸気を冷却して密度を増加させることで圧縮動力を低下させることが、ヒートポンプの熱媒体に水を用いる際に必要な構成となる。
【００８０】
なお、複数段配置された圧縮機の中間で水蒸気を冷却する方式として、水蒸気中に水をスプレーする方式の他に、熱交換器を設けて冷却する方式も考えられる。熱交換器は圧縮機５３Ａ，５３Ｂの容器外に設けることになり装置は大きくなるが、高精度で水蒸気温度を調整することが可能となる。
【００８１】
また、熱利用施設１における蒸気の利用形態として、単に蒸気を凝縮させて熱として利用する他に以下の利用法がある。第一に、熱利用施設にリチウムブロマイドを媒体とする吸収冷凍機を設けて冷媒の蒸発に高温の蒸気を利用することで、施設の冷却に設けることが出来る。第二に、化学プロセスや乾燥プロセスでは蒸気を製品に直接注入又は吹き付けることも可能である。この場合、蒸気を凝縮させる復水器を熱利用施設１に必要とせずに済む。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図６】従来のヒートポンプであって、熱媒体に水を利用したエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ａ，１Ｂ        熱利用施設
１０                  ガスタービン
３０，３０Ａ          ボイラ
５０，５０Ａ          ヒートポンプ
５１                  蒸気タービン
５２，５２Ａ          二相流膨張タービン
５３，５３Ａ，５３Ｂ  圧縮機
５４，５４Ａ          熱交換器
７０                  蒸気供給系統
７３                  合流器
８５                  可変減速機
【図１】
2006194242.tif 000003
【図２】
2006194242.tif 000004
【図３】
2006194242.tif 000005
【図４】
2006194242.tif 000006
【図５】
2006194242.tif 000007
【図６】
2006194242.tif 000008