(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気の利用効率を向上し、温熱および冷熱を同時に得る温熱・冷熱同時発生システムを提供する。【解決手段】温熱・冷熱同時発生システムは、ボイラ、過熱器、蒸気タービンおよび膨張機を備え、蒸気タービンおよび膨張機の発生する動力で駆動される過熱器用圧縮機およびボイラ用圧縮機を設け、過熱器用圧縮機から供給される空気と過熱器用燃料とを過熱器用燃焼器で燃焼させることにより過熱器においてボイラで生成される蒸気を加熱し、過熱器からの燃焼ガスとボイラ用圧縮機から供給される空気とをボイラ用燃焼器に導きボイラ用燃料との燃焼によってボイラで蒸気を生成し、蒸気を前記過熱器で加熱して蒸気タービンに導き蒸気タービンを駆動し、ボイラから排出される排ガスを膨張機に導き膨張機を駆動し、蒸気タービンから排出される蒸気を温熱とし、膨張機から排出されるガスを冷熱として利用可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を生成するボイラ、該ボイラからの蒸気を加熱する過熱器、加熱された蒸気で駆動される蒸気タービンおよびボイラから排出される排ガスで駆動される膨張機を備え、前記蒸気タービンおよび前記膨張機の発生する動力で駆動される過熱器用圧縮機およびボイラ用圧縮機を設け、過熱器用圧縮機から供給される空気と過熱器用燃料とを過熱器用燃焼器で燃焼させることにより前記過熱器において前記ボイラで生成される蒸気を加熱し、前記過熱器からの燃焼ガスと前記ボイラ用圧縮機から供給される空気とをボイラ用燃焼器に導きボイラ用燃料との燃焼によって前記ボイラで蒸気を生成し、該蒸気を前記過熱器で加熱して前記蒸気タービンに導き蒸気タービンを駆動するとともに、前記ボイラから排出される排ガスを前記膨張機に導き膨張機を駆動し、前記蒸気タービンから排出される蒸気を温熱として、また、前記膨張機から排出されるガスを冷熱として利用可能とすることを特徴とする温熱・冷熱同時発生システム。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品工場など温熱と冷熱を同時に利用する現場で便利な温熱・冷熱同時発生システムに関し、特に、投入燃料以上の熱量を発生することのできる温熱・冷熱同時発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型貫流ボイラで蒸気を生成し、その蒸気を蒸気利用設備で利用することが知られている。例えば、食品工場等では小型貫流ボイラで生成された０．３ＭＰａ程度の低圧の蒸気を蒸気釜等で利用している。また、特許文献１及び２には、マイクロガスタービンと小型貫流ボイラとを備えた熱電併給システムが開示されている。この特許文献１、２の小型貫流ボイラは、発電を行うマイクロガスタービンからの排ガスで燃料を燃焼するものであり、この小型貫流ボイラで生成された蒸気を蒸気供給路を通して蒸気利用設備へ供給するようにしている。
【０００３】
また、小型貫流ボイラで生成される蒸気の利用効率を向上させるため、小型貫流ボイラによって構成されるボイラ手段と、小型貫流ボイラで生成された蒸気を過熱する蒸気過熱器と、該蒸気過熱器で過熱された過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンの駆動に伴って発電を行う発電機とを備えた発電システムとを備え、蒸気利用設備は、蒸気タービンからの排出蒸気が導入されるように構成されているコージェネレーションシステムが知られている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０８１５０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０８２７４号公報
【特許文献３】特開２００６−３２９１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び２に記載の発明は、マイクロガスタービンの排ガスを利用して小型貫流ボイラで蒸気を生成し、その蒸気を蒸気利用設備で利用するものである。  しかしながら、この発明においては、小型貫流ボイラで生成された蒸気の利用効率をさらに向上できる余地が残されている。また、小型貫流ボイラでは、ゲージ圧で１．０ＭＰａ以下で使用可能なので、０．３ＭＰａ程度の低圧の蒸気を利用する場合において、蒸気の利用効率をさらに向上できる余地がある。
また、特許文献３記載の発明では、小型貫流ボイラで生成された蒸気を蒸気利用設備で利用される前に利用して発電を行うようにしているので、小型貫流ボイラで生成された蒸気の利用効率を向上することができるが、供給熱量以上の電力および温熱を得ることはできない。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蒸気の利用効率を向上するとともに、供給熱量以上の温熱および冷熱を同時に得ることのできる温熱・冷熱同時発生システム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】
【０００６】
〔原理〕本発明の原理は以下のとおりである。
（１）蒸気タービンに供給する蒸気を加熱する過熱器から出る排ガスをボイラ用燃焼器の吸気に混入させることにより、実質的に高い熱効率を実現する。
（２）蒸気タービンおよび膨張機から発生する動力を利用して過熱器用燃焼器およびボイラ用燃焼器に供給する空気を圧縮し、圧縮してから燃焼させることにより、過熱器用燃焼器およびボイラ用燃焼器に投入する燃料の発熱量以上の熱量を取り出すことができる。
（３）過熱器用燃焼器およびボイラ用燃焼器の排ガスを膨張機に導き、圧縮機の駆動動力を補い、同時に冷熱を供給する。
【０００７】
〔手段〕上記目的を達成するため、本発明の温熱・冷熱同時発生システムは、蒸気を生成するボイラ、該ボイラからの蒸気を加熱する過熱器、加熱された蒸気で駆動される蒸気タービンおよびボイラから排出される排ガスで駆動される膨張機を備え、前記蒸気タービンおよび前記膨張機の発生する動力で駆動される過熱器用圧縮機およびボイラ用圧縮機を設け、過熱器用圧縮機から供給される空気と過熱器用燃料とを過熱器用燃焼器で燃焼させることにより前記過熱器において前記ボイラで生成される蒸気を加熱し、前記過熱器からの燃焼ガスと前記ボイラ用圧縮機から供給される空気とをボイラ用燃焼器に導きボイラ用燃料との燃焼によって前記ボイラで蒸気を生成し、該蒸気を前記過熱器で加熱して前記蒸気タービンに導き蒸気タービンを駆動するとともに、前記ボイラから排出される排ガスを前記膨張機に導き膨張機を駆動し、前記蒸気タービンから排出される蒸気を温熱として、また、前記膨張機から排出されるガスを冷熱として利用可能とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）蒸気タービン前の過熱器の排気をボイラ用燃焼器の吸気に混入させることによって過熱器からの廃熱を無駄にせずかつ、効率よく利用し、全体のロスを低減している。
（２）過熱器用燃焼器およびボイラ用燃焼器の前で吸気を圧縮することにより、ヒートポンプと同様の効果をもたらすことが出来、これに燃料による熱を供給することにより現実的な熱交換器の大きさで従来超えられなかった効率を超えて熱を発生することができる。この圧縮機の動力については過熱器とボイラの各排気の圧力エネルギーを膨張器で回収すると共に、マイクロ蒸気タービンから動力を回収することによって、従来の９５％の効率のボイラと比較して１０から２０％の効率向上が可能となり、同時に冷熱を発生することが可能となる。
（３）燃料の持つ発熱量以上の温熱を発生することが出来る。
通常、蒸気を燃焼により作る場合、燃料の発熱量から見て１を大きく超えることは難しい。これを本発明に係るシステムを利用することによって熱交換器を極端に増大することなく１を超える熱量を作り出すことが出来る。これは、省エネルギーに対して非常に効果的である。
（４）食品工場などで必要とされる温熱と冷熱とを同時に発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る温熱・冷熱同時発生システムの最良の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、流量（ｔ／ｈ、ｋｇ／ｈ）、圧力（ｋＰａ）、温度（℃）および入力・出力（ｋｗ）等を示す数値は、１例としてシステム計算を実施した際の数値である。  
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る温熱・冷熱同時発生システムの全体構成を示す系統図である。
この温熱・冷熱同時発生システムは、水ポンプ１３、ボイラ６、過熱器１、蒸気タービン２０および温熱利用設備２１を連通する蒸気通路３０を備えている。
この蒸気通路３０は、ボイラ６で生成された蒸気を蒸気タービン２０を介して温熱利用設備２１へ導くための経路であり、水配管２２ａ、第１蒸気配管２２ｂ、第２蒸気配管２２ｃおよび第３蒸気配管２２ｄを備えている。なお、配管中に適宜設けられる開閉弁については、図示を省略している。
【００１１】
水ポンプ１３は、例えば、３ｔ／ｈの水１４を８２７ｋＰａの圧力でボイラ６に供給可能に設計されている。また、ボイラ６は、例えば、１つまたは複数の小型貫流ボイラによって構成され、温度１６７℃、圧力７８８ｋＰａの蒸気（飽和蒸気）１５を生成する。小型貫流ボイラ６は、使用圧力が１ＭＰａ以下で伝熱面積が１０ｍ２以下の貫流ボイラで、熱効率が９５％以上と高く、ボイラ技士免許が不要であるなどの利便性から、食品、製紙、化学、繊維業界などの中小工場を中心に導入されている。この小型貫流ボイラの発生した蒸気の利用条件は、流量が２ｔ／ｈ〜２０ｔ／ｈ、圧力が１ＭＰａまでの範囲で利用される。
【００１２】
ボイラ６の下流側に設置される過熱器１には、ボイラ６で生成された飽和蒸気１５が導入され、後述する過熱器用燃焼器５の熱で加熱され、温度２１８℃、圧力７５０ｋＰａの蒸気となる。
【００１３】
過熱器１で加熱された蒸気は、第２蒸気配管２２ｃを介して小型の蒸気タービン２０に導入され、該蒸気タービン２０を駆動した後、温度１２７℃、圧力２５０ｋＰａの蒸気となり、温熱利用設備２１へ導へ導かれる。
蒸気タービン２０は、翼車に蒸気が円周方向から入るように構成されるとともに、この蒸気が軸方向に出るように構成されており、断熱効率が７７％で１３６．５ｋｗの発電を行うことができる。
【００１４】
温熱利用設備２１は、第３蒸気配管２２ｄから導入された蒸気によって例えば常温の上水を加熱したり、食品を蒸すことができるように構成されている。
【００１５】
また、この温熱・冷熱同時発生システムは、過熱器用圧縮機３、過熱器用燃焼器５、過熱器１からボイラ用燃焼器８に至る加熱ガス通路４０と、ボイラ用圧縮機１１、ボイラ用燃焼器８、ボイラ６、気液分離器１７、膨張機１８及び冷熱利用設備２３を連通する蒸気生成用ガス通路５０と備えている。
【００１６】
前記加熱ガス通路４０は、例えば、圧力１００ｋＰａ、温度２５℃、流量１８０．８ｋｇ／ｈの空気２を過熱器用圧縮機３で圧縮して、温度２８４．５℃の圧縮された圧縮空気と燃料である流量９．８ｋｇ／ｈのメタンガス４とを過熱器用燃焼器５で燃焼させ、２２０５℃の高温ガスとなって過熱器１に供給され、過熱器１においてボイラ６で生成された飽和蒸気１５を加熱するとともに、ボイラ用燃焼器８に導入され、その熱源となるものであり、空気配管４０ａ、第１加熱ガス配管４０ｂおよび第２加熱ガス配管４０ｃを備えている。
【００１７】
また、蒸気生成用ガス通路５０は、例えば、圧力１００ｋＰａ、温度２５℃、流量２８００ｋｇ／ｈの空気１０をボイラ用圧縮機１１で圧縮して、温度２８４．５℃に圧縮された圧縮空気と燃料である流量１３０ｋｇ／ｈのメタンガス１２とをボイラ用燃焼器８で燃焼させ、１８７７℃の高温ガスとなってボイラ６に供給され、該ボイラ６から温度４６℃のボイラ排ガス１６となって排出され、気液分離器１７で２７８．９ｋｇ／ｈの水を分離した後、ガスタービン、容積型原動機等からなる膨張機１８に導入され、該膨張器１８を駆動した後、膨張機１８の出口１９では外気温度よりも低い温度となり、温度−１４℃、流量２８４２ｋｇ／ｈのガスとなり、冷熱として利用が可能であり、冷熱利用設備２３へ導へ導かれるもので、空気配管５０ａ、燃焼ガス管５０ｂ、第１排ガス管５０ｃ、第２排ガス管５０ｄおよび第３排ガス管５０ｅを備えている。
膨張機１８は、断熱効率が７５％で６９．１ｋｗの発電を行うことができる。
【００１８】
蒸気タービン２０および膨張機１８での発電出力は合計２０５．６ｋｗであり、この電力を利用して効率７５％、必要動力１３．３ｋｗの過熱器用圧縮機３および効率７５％、必要動力１８５．５ｋｗのボイラ用圧縮機１１を駆動した場合、６．８ｋｗが余剰動力として利用可能である。この余剰動力は、本システムにおける補機の動力として、あるいは、他の目的に利用される。
【００１９】
上記したように、過熱器１に供給される空気２は、過熱器用圧縮機３で圧縮され、温度と圧力が上がった状態で、過熱器用燃料であるメタンガス４と燃焼器５に供給され、燃焼によってボイラ６から排出される蒸気１５を過熱器１で加熱するものであり、図１では説明の都合上、燃焼器５と過熱器１は別々に記載しているが、実際には一体であり、燃焼させつつ蒸気を過熱する。この後、過熱器１から排出された過熱器排ガス７はボイラ用熱源の１つとしてボイラ用燃焼器８に供給される。
【００２０】
また、上記したように、ボイラ６に供給される空気１０は、ボイラ用圧縮機１１で圧縮され、温度と圧力が上がった状態で、過熱器排ガス７と混合されるか、または、共にボイラ用燃焼器８に供給される。ボイラ用燃焼器８には、ボイラ用燃料であるメタンガス１２も供給され、燃焼によって水ポンプ１３から供給される水１４を加熱し飽和蒸気１５を生成する。図１では説明の都合上、ボイラ用燃焼器８とボイラ６とは別々に書かれているが、実際には一体であり、燃焼させつつ蒸気を生成する。また、ボイラ６からのボイラ排ガス１６は、必要に応じて通常のボイラと同じく、通常、ポンプ１３の前に設置される給水加熱器において給水加熱に利用されるが、図１ではボイラ一体として、省略している。
【００２１】
図１に示した本実施形態では、発熱量を算出する都合上、過熱器用燃料およびボイラ用燃料としてメタンガス（ＣＨ４）を用いた例を示しているが、これに限らず、公知の燃料を用いることができることはいうまでもない。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態に係る温熱・冷熱同時発生システムでは、温熱と冷熱を同時に作り出すことができ、図１に示した例では、ボイラ用燃料１２と、過熱器用燃料４の発熱量（ＬＨＶ）１９４３ＫＷに対して、温熱２１９４ＫＷ、冷熱５４．４５ＫＷを生成している。この時、温熱２１９４ＫＷ及び冷熱５４．４５ＫＷの合計熱量が投入燃料の熱量１９４３ＫＷを超えることが出来る。本例では、供給熱量の約１．１倍となっている。
このように、燃焼器に投入する以上の熱量を取り出すことができる。また、供給する空気を圧縮することによりボイラの伝熱面積を減らすこともできる。
【００２３】
本実施の形態に係る温熱・冷熱同時発生システムは、過熱器用燃焼器およびボイラ用燃焼器に供給する空気を圧縮することにより、ヒートポンプと同様の効果、すなわち、高温高圧の圧縮空気から熱を取り出し、その後、圧力を利用して動力を回収できるという効果をもたらすことができ、これに燃料による熱を供給することにより、現実的な熱交換の大きさで従来超えられなかった効率を超えて熱を発生することができる。
また、その際、圧縮機の動力については、加熱器とボイラの各排気の圧力エネルギを膨張機で回収するとともに、蒸気タービンから動力を回収することにより、従来の９５％の効率のボイラと比較して１０〜２０％の効率向上が可能となり、同時に冷熱を発生することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係る温熱・冷熱同時発生システムの全体構成を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      過熱器
２      空気
３      過熱器用圧縮機
４      メタンガス
５      過熱器用燃焼器
６      ボイラ
７      過熱器排ガス
８      ボイラ用燃焼器
１０    空気
１１    ボイラ用圧縮機
１２    メタンガス
１３    水ポンプ
１４    水
１５    飽和蒸気
１６    ボイラ排ガス
１７    気液分離器
１８    膨張機
１９    膨張機の出口
２０    蒸気タービン
２１    温熱利用設備
２２ａ  水配管
２２ｂ  第１蒸気配管
２２ｃ  第２蒸気配管
２２ｄ  第３蒸気配管  
２３    冷熱利用設備
３０    蒸気通路
４０    加熱ガス通路
４０ａ  空気配管
４０ｂ  第１加熱ガス配管
４０ｃ  第２加熱ガス配管
５０    蒸気生成用ガス通路
５０ａ  空気配管
５０ｂ  燃焼ガス管
５０ｃ  第１排ガス管
５０ｄ  第２排ガス管
５０ｅ  第３排ガス管
【図１】
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