(57)【要約】【課題】  過熱器の製作とメンテナンスに要する経済的な負担を軽減できるという熱利用システムにおいて、過熱器の焼損を防止することができる熱利用システムを提供する。【解決手段】  熱利用システムは、所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラ５と、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器６と、過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービン１４と、蒸気の熱を利用する熱負荷と、ボイラ５で発生した蒸気の一部を過熱器６を介することなく熱負荷に導入する第１蒸気経路Ｒ１と、ボイラ５で発生した蒸気の残りの少なくとも一部を過熱器６を介して蒸気タービン１４に直接導入する第２蒸気経路Ｒ２とを備える熱利用システムであって、第１蒸気経路Ｒ１における蒸気量を調整する第１調整手段２５と、第２蒸気経路Ｒ２における蒸気量を監視する監視手段２８とを有し、第２蒸気経路Ｒ２における蒸気量が所定量以上となるように第１調整手段２５を制御する。【選択図】        図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラと、前記蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、前記過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービンと、前記蒸気の熱を利用する熱負荷と、前記ボイラで発生した前記蒸気の一部を前記過熱器を介することなく前記熱負荷に導入する第１蒸気経路と、前記ボイラで発生した前記蒸気の残りの少なくとも一部を前記過熱器を介して前記蒸気タービンに直接導入する第２蒸気経路とを備える熱利用システムであって、
前記第１蒸気経路における蒸気量を調整する第１調整手段と、前記第２蒸気経路における蒸気量を監視する監視手段とを有し、前記第２蒸気経路における蒸気量が所定量以上となるように前記第１調整手段を制御する熱利用システム。
【請求項２】
前記過熱蒸気を前記第２蒸気経路から分岐して前記熱負荷に導入する第３蒸気経路と、当該第３蒸気経路における蒸気量を調整する第２調整手段とを有し、前記熱負荷へ導入する前記蒸気と前記過熱蒸気との総量が所定量以上となるように前記第２調整手段を制御する請求項１に記載の熱利用システム。
【請求項３】
所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラと、当該ボイラで発生した前記蒸気を蓄積する蒸気溜めと、前記蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、前記過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービンと、前記蒸気の熱を利用する熱負荷と、前記蒸気溜めに蓄積した前記蒸気の一部を前記過熱器を介することなく前記熱負荷に導入する第１蒸気経路と、前記蒸気溜めに蓄積した前記蒸気の残りの少なくとも一部を前記過熱器を介して前記蒸気タービンに導入する第２蒸気経路と、前記第１蒸気経路における蒸気量を調整する調整手段と、前記第２蒸気経路における蒸気量を監視する監視手段とを有し、前記第２蒸気経路における蒸気量が所定量以上となるように前記調整手段を制御する熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラと、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービンと、蒸気の熱を利用する熱負荷とを備える熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱利用システムの一例としてゴミ焼却炉から発生する高温の排ガスの熱を利用するものが知られている。ゴミ焼却炉に付随した熱利用システムの場合、通常、排ガスの熱によってボイラから発生した蒸気は過熱器で過熱された後、一旦蒸気溜めに蓄積される。そして、蒸気溜めから過熱された蒸気の一部が、ゴミ焼却炉におけるゴミの燃焼に必要な空気を予熱するための燃焼空気予熱器、排ガスを再加熱するための排ガス再加熱器、焼却施設外の温室やハウス栽培等の熱利用施設に送られる。また、過熱された蒸気の残りは蒸気タービンに送られ、蒸気タービンに連結された発電機によって排ガスの持つ熱エネルギーの一部が電気エネルギーの形態で回収される。
【０００３】
一方、過熱器の熱エネルギー入力部を構成する伝熱部（通常は多数の細い管が集合形成された管群からなる）は、高温（６００℃前後など）であるために酸化力も強く、また場合によっては腐食性のガスを含む排ガスに曝されるために、火ＳＵＳ３１０Ｊ１等の特に耐熱温度の高い特殊なステンレス鋼やインコネルなどの高価な合金材料で構成する必要がある。このため、過熱器に求められる熱交換能力が高くなれば、その伝熱面の総面積を増大させる必要が生じる。その結果、製作に要するイニシャルコストや排ガスによって腐食した伝熱部を定期的に取り替えるためのランニングコストが高くなり、トータルでの経済的な負担が非常に増すため対策が望まれていた。
【０００４】
上記の課題に対しては、過熱された蒸気を必要とするのは蒸気タービンのみであるという観点から、蒸気タービンで使用する量の蒸気のみを過熱器に供給し、残りの蒸気は過熱器を介することなく燃焼空気予熱器等に送る熱利用システム（例えば、特許文献１参照）について検討されている。この熱利用システムによれば、過熱器に供給する蒸気の量が減少するため過熱器の熱交換能力を低く設定することができる。このため、過熱器の伝熱面の総面積を従来のものに比べて小さくできるので、過熱器の製作に要するイニシャルコスト及び、メンテナンス用のランニングコストを下げることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１０４０１号公報（第２−４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の熱利用システムでは、一般的にボイラから発生した蒸気はゴミ焼却炉の運転を維持するために優先的に燃焼空気予熱器等に送られ、残りの蒸気のみが過熱器を介して蒸気タービンへ送られる。このため、燃焼空気予熱器等に使用される蒸気量が多い場合や、ボイラから発生する蒸気量が少ない場合には、蒸気タービンへ送られる蒸気量は減少する。その結果、過熱器は、蒸気がほとんど送られていない状態で高温の排ガスに晒されることになるため焼損するという問題があった。したがって、前記従来の熱利用システムでは、過熱器の製作とメンテナンスとに要する経済的な負担の軽減を目的としているにも関わらず、結果として過熱器のメンテナンスのコストを増大させるものであった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、過熱器の製作とメンテナンスに要する経済的な負担を軽減できるという熱利用システムにおいて、過熱器の焼損を防止することができる熱利用システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る熱利用システムの第１特徴構成は、所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラと、前記蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、前記過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービンと、前記蒸気の熱を利用する熱負荷と、前記ボイラで発生した前記蒸気の一部を前記過熱器を介することなく前記熱負荷に導入する第１蒸気経路と、前記ボイラで発生した前記蒸気の残りの少なくとも一部を前記過熱器を介して前記蒸気タービンに直接導入する第２蒸気経路とを備える熱利用システムであって、前記第１蒸気経路における蒸気量を調整する第１調整手段と、前記第２蒸気経路における蒸気量を監視する監視手段とを有し、前記第２蒸気経路における蒸気量が所定量以上となるように前記第１調整手段を制御する点にある。
【０００９】
つまり、この構成によれば、熱負荷に送られる蒸気量を制御することにより第２蒸気経路における蒸気量、すなわち過熱器を通過する蒸気量を所定量以上確保することができる。このため過熱器の焼損を防止することができる。そして、過熱器の寿命が延びることにより、過熱器の製作に要するイニシャルコストだけでなく、メンテナンス用のランニングコストについても下げることが可能となる。
【００１０】
本発明に係る熱利用システムの第２特徴構成は、前記過熱蒸気を前記第２蒸気経路から分岐して前記熱負荷に導入する第３蒸気経路と、当該第３蒸気経路における蒸気量を調整する第２調整手段とを有し、前記熱負荷へ導入する前記蒸気と前記過熱蒸気との総量が所定量以上となるように前記第２調整手段を制御する点にある。
【００１１】
つまり、この構成によれば、蒸気を一旦蓄積する蒸気溜めや燃焼空気予熱器等の熱負荷へ所定量以上の蒸気を優先的に送ることができる。このため、過熱器を通過する所定量以上の蒸気を確保して焼損を防止しつつ、熱利用システムの運転を継続することができる。
【００１２】
本発明に係る熱利用システムの第３特徴構成は、所定の熱源の熱を利用して蒸気を発生させるボイラと、当該ボイラで発生した前記蒸気を蓄積する蒸気溜めと、前記蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、前記過熱蒸気によって発電を行う蒸気タービンと、前記蒸気の熱を利用する熱負荷と、前記蒸気溜めに蓄積した前記蒸気の一部を前記過熱器を介することなく前記熱負荷に導入する第１蒸気経路と、前記蒸気溜めに蓄積した前記蒸気の残りの少なくとも一部を前記過熱器を介して前記蒸気タービンに導入する第２蒸気経路と、前記第１蒸気経路における蒸気量を調整する調整手段と、前記第２蒸気経路における蒸気量を監視する監視手段とを有し、前記第２蒸気経路における蒸気量が所定量以上となるように前記調整手段を制御する点にある。
【００１３】
つまり、この構成によれば、ボイラで発生した蒸気全てを一旦蓄積する蒸気溜め以外の熱負荷へ送られる蒸気量を制御することにより、過熱器を通過する蒸気量を所定量以上確保することができる。このため過熱器の焼損を防止することができる。さらに、常に所定量以上の蒸気を蒸気タービンに送ることができるため、連続的に発電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る熱利用システムの一実施形態としてゴミ焼却炉に適用した場合について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るゴミ焼却炉１は、図１に示すように被焼却物としてのゴミを投入するためのホッパー２と、投入されたゴミを、乾燥、燃焼、後燃焼の各工程を経て焼却する燃焼室３とを備えている。燃焼室３の上部からは、燃焼室３で発生する高温の排ガスを最終段の煙突１１に向けて導く煙道４が延びている。煙道４から更に下流に排出された排ガスは、節炭器７を備えた下流側煙道４ａを介して、集塵用のバグフィルタ８へ送られ、活性炭を利用した脱硝装置９及び排ガス再加熱装置１０を経て煙突１１から大気放出される。また、煙道４の上方には、煙道４を流れる排ガスの熱によって蒸気を生成する廃熱ボイラ５が配置されている。節炭器７は廃熱ボイラ５に供給する水の予熱を行うためのものであり、排ガス再加熱装置１０は活性炭による排ガス中窒素分の吸着率を高めるために排ガスを再加熱するものである。
【００１５】
前記廃熱ボイラ５から取出された蒸気の一部は、燃焼空気予熱器２０、排ガス再加熱器１０、或いは、焼却施設外の温室やハウス栽培等の熱利用施設に用いる蒸気として、過熱器６を経ることなく高圧蒸気溜め１２まで、廃熱ボイラ５と高圧蒸気溜め１２とを接続する第１蒸気経路Ｒ１を介して送られる。燃焼空気予熱器２０に送られた蒸気の保有する熱の大半は、焼却炉１の燃焼室３に投入すべき一次燃焼空気の予熱に消費される。燃焼空気予熱器２０で冷却・復水された水は脱気器１８に導かれ、この脱気器１８から節炭器７を経て廃熱ボイラ５に戻される。尚、高圧蒸気溜め１２、燃焼空気予熱器２０、排ガス再加熱器１０、焼却施設外の温室やハウス栽培等の熱利用施設は「熱負荷」の一例である。
【００１６】
高圧蒸気溜め１２には減圧弁２２を介して低圧蒸気溜め１３が接続されている。低圧蒸気溜め１３内に蓄積された蒸気の保有する熱は熱交換器１９によって取出されて、例えば焼却施設外の温室やハウス栽培等の熱利用施設に送られて利用される。尚、低圧蒸気溜め１３から送られた蒸気自身は熱交換器１９にて復水化され、復水タンク１６に戻される。低圧蒸気溜め１３及び熱交換器１９も「熱負荷」の一例である。
【００１７】
廃熱ボイラ５から取出された蒸気の残りは、廃熱ボイラ５と過熱器６とを接続する第２蒸気経路Ｒ２ａ（Ｒ２）を介して煙道４内の過熱器６に送られる。そして、過熱器６に送られた蒸気は、燃焼室３から流れてくる排ガスの熱によって過熱されて過熱蒸気となり、第２蒸気経路Ｒ２ｂ（Ｒ２）を介して蒸気タービン１４に送られる。過熱蒸気の有する熱エネルギーは蒸気タービン１４に連結された発電機２１によって電気エネルギーに変換される。また、蒸気タービン１４から排出される膨張後の蒸気は復水器１５によって復水され、大気開放型の復水タンク１６に蓄積される。復水タンク１６に貯留された水は返送流路に備えられたポンプ１７を介して脱気器１８に導かれる。尚、第２蒸気経路Ｒ２ａと第２蒸気経路Ｒ２ｂとは、過熱器６を介して廃熱ボイラ５と蒸気タービン１４とを接続する第２蒸気経路Ｒ２を構成するものである。また、過熱器６と蒸気タービン１４とを接続する第２蒸気経路Ｒ２ｂには前記過熱蒸気を高圧蒸気溜め１２に導入する第３蒸気経路Ｒ３が設けられている。
【００１８】
第１蒸気経路Ｒ１には廃熱ボイラ５から熱負荷へ送られる蒸気量を調整する第１調整弁２５が設けられており、第２蒸気経路Ｒ２には、第２調整弁２６と蒸気量センサ２８とが設けられている。第２調整弁２６は過熱器６から蒸気タービン１４に導入される過熱蒸気の蒸気圧を設定値以上に保つためのものであって、蒸気タービン１４内の圧力バルブに置き換えることも可能である。蒸気量センサ２８は第２蒸気経路Ｒ２を通過する蒸気量を監視するものである。蒸気量センサ２８によって第２蒸気経路Ｒ２を通過する蒸気量が所定量未満であることを検知すると、本実施形態に係る熱利用システムは、第１調整弁２５を調整することにより第１蒸気経路Ｒ１を通過する蒸気量を制御する。尚、蒸気量センサ２８は図１においては第２蒸気経路Ｒ２ｂに設けられているが、過熱器６を流れる蒸気量を監視することができれば設置位置に限定はなく、任意の位置に設けることができる。
【００１９】
第３蒸気経路Ｒ３には第２蒸気経路Ｒ２から高圧蒸気溜め１２に導入される蒸気量を調整する第３調節弁２７が設けられている。また、高圧蒸気溜め１２には蒸気圧センサ２９が設けられ、高圧蒸気溜め１２の蒸気圧を監視している。そして、上記のように第１調整弁２５を調整することで第１蒸気経路Ｒ１から蒸気溜め１２に送られる蒸気量が減少し、蒸気圧が低下すると、これを検知し、第３調整弁２７を制御して第３蒸気経路Ｒ３から送られる蒸気量を調整することにより蒸気圧を一定に保つようになっている。尚、第３蒸気経路Ｒ３及び第３調整弁２７は必ずしも設ける必要はなく、設けなくても本発明の目的を達成することができるが、設けることにより過熱器の焼損を防止しつつも、常に熱負荷に所定量以上の蒸気を確保することが可能となり、本実施形態の熱利用システムを連続的に運転することができる。
【００２０】
本実施形態に係るゴミ焼却炉１は、以上のように構成されており、以下、その制御の一例について、図２及び図３を参照して説明する。本実施形態では、第１調整弁２５の制御と第３調整弁２７の制御とはそれぞれ独立して行われるものであり、図３では第１調整弁２５の制御のフロー図について示した。尚、以下の説明は、廃熱ボイラ５から取出された蒸気が、熱負荷及び蒸気タービン１４に導入される際の蒸気量の制御についての説明であり、その他の制御及び動作については、従来の装置と同様である。
【００２１】
ゴミ焼却炉１が稼働すると、排ガスの熱によって生成した蒸気が廃熱ボイラ５から取り出され、第１蒸気経路Ｒ１及び第２蒸気経路Ｒ２に導入される。通常時は、第１調整弁２５は完全に開いた状態となっている。廃熱ボイラ５から取出された蒸気は、高圧蒸気溜め１２が一定の蒸気圧を保つように優先的に第１蒸気経路Ｒ１に導入されて熱負荷に利用される。残りの蒸気は第２蒸気経路Ｒ２に導入され、過熱器６を介して蒸気タービン１４に送られて発電に利用される。高圧蒸気溜め１２の蒸気圧を一定に保つために第１蒸気経路Ｒ１からの蒸気量のみで足りている間は、第３調整弁２７は完全に閉じた状態である。
【００２２】
蒸気量センサ２８は、第２蒸気経路Ｒ２ｂの蒸気量、すなわち過熱器６を通過する蒸気量を監視しており、所定値以上（♯１：Ｙｅｓ）を保っている間は、そのままの状態を維持する。そして、蒸気量センサ２８が、過熱器を通過した第２蒸気経路Ｒ２ｂの蒸気量が所定値より低くなった（♯１：Ｎｏ）ことを検知すると、第１調整弁２５を一段階閉じる（♯２）ことにより、第１蒸気経路Ｒ１に導入されている蒸気量を減らして第２蒸気経路Ｒ２へ導入する蒸気量を増やす。蒸気量センサ２８は、再び蒸気量をチェックして所定値に達していない場合（♯３：Ｎｏ）には、さらに第１調整弁２５を閉じて（♯２）、第２蒸気経路Ｒ２における蒸気量が所定値に達するまで第１調整弁２５を調整する（♯２〜♯３）。
【００２３】
第２蒸気経路Ｒ２ｂにおける蒸気量が所定値を保っている間（♯４：所定値）は監視を続け、廃熱ボイラ５から取り出される蒸気量が変化する等して、第２蒸気経路Ｒ２における蒸気量が所定値未満になった（♯４：所定値未満）場合には、♯２に戻って第１調整弁２５の調整を繰り返す（♯２〜♯３）。また、蒸気量が所定値より大きくなった（♯４：所定値より大）場合には、第１調整弁２５を一段階開く（♯５）。これにより、蒸気量が所定値に達すると（♯６：Ｙｅｓ）、再び♯４に戻り、蒸気量センサ２８によって蒸気量を監視しつつ、同様の制御を繰り返す。蒸気量が所定値にならない場合（♯６：Ｎｏ）には、第１調整弁２５が完全に開いているか否かを調べ（♯７）、全開していない場合（♯７：Ｎｏ）には、♯５に戻って第１調整弁２５をさらに開き、同様の調整を繰り返す（♯５〜♯７）。そして、第１調整弁２５が全開である場合（♯７：Ｙｅｓ）には通常の状態（♯１）に戻って蒸気量を監視する。
【００２４】
第３蒸気経路Ｒ３における第３調整弁２７は通常時には閉止しているが、この間、第１調整弁２５の作動状況により高圧蒸気溜め１２の蒸気圧が設定値より低くなった場合には、第３調整弁を開いて蒸気を第３蒸気経路Ｒ３から高圧蒸気溜め１２へ導入し、蒸気圧が設定値に達するまで第３調整弁２７を調整する。そして、高圧蒸気溜め１２の蒸気圧が設定値に達した場合には、熱負荷に使用する蒸気が足りているとしてその状態を維持する。また、蒸気圧が設定値より高くなった場合には第３調整弁２７を閉じて蒸気圧を調整する。
【００２５】
尚、本実施形態の熱利用システムでは、熱負荷へ導入される蒸気量の監視を高圧溜め１２における蒸気圧センサ２９にて行っている構成としたが、特に限定されるものではなく、例えば、第３蒸気経路Ｒ３の蒸気量や熱負荷の一つである燃焼空気予熱器２０に導入される蒸気量を監視して制御することもできる。さらには、熱負荷へ導入される蒸気量を監視することなく、第１調整弁を閉じた場合に熱負荷へ導入される蒸気量が減少したことを感知して、第３調整弁２７を開閉する構成とすることも可能である。この際、第２蒸気経路Ｒ２から第３蒸気経路Ｒ３への分岐点において、蒸気が蒸気タービン１４よりも蒸気溜め１２へ優先的に導入される構成にしておけば、第３調整弁２７は厳密な制御をすることなく、単なる開閉のみ制御を行うことも可能である。
【００２６】
さらに本実施形態の熱利用システムでは過熱器６に導入される蒸気量が所定値を維持するように制御したが、上記制御に限らず、蒸気量が所定値以上になればその状態を維持し、所定値未満にならないようにのみ監視する簡易な制御とすることもできる。尚、本実施形態において制御する所定値及び設定値は、ゴミ焼却炉１や過熱器６の種類等によって変わるものであり、適用する熱利用システムによって任意に決めることができるものである。
【００２７】
（別実施形態）
尚、上記の実施形態では、ゴミ焼却炉１を稼働し続けるために、蒸気の「熱負荷」への使用、特に燃焼空気予熱器２０への供給を維持する構成としたが、本発明の熱利用システムは、図４に示すように発電を主目的とした設備に対しても適用できる。すなわち、この実施形態では、廃熱ボイラ５から取出された全ての蒸気を一旦、蓄積する高圧蒸気溜め１２を有し、高圧蒸気溜め１２から過熱器６を介することなく熱負荷に導入する第１蒸気経路Ｒ１と、高圧蒸気溜め１２から過熱器を介して蒸気タービン１４に導入する第２蒸気経路Ｒ２とが設けられている。
【００２８】
そして、第１蒸気経路Ｒ１には、第１蒸気経路の蒸気量を調整して第２蒸気経路の蒸気量を制御する調整弁３０が設けられており、第２蒸気経路Ｒ２には蒸気センサ３１が設けられている。蒸気センサ３１は、蒸気量センサ２８は第２蒸気経路Ｒ２を通過する蒸気量が所定値以上となるように調整弁３０を調整する。この構成により、廃熱ボイラ５から取出される蒸気量が変動したとしても、蒸気タービン１４へは所定量の蒸気が確保できるため、連続して発電することが可能となる。尚、その他の構成、制御等は上記実施形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の熱利用システムはゴミ等の焼却炉等に適用することができるだけでなく、様々な熱源を利用した熱利用システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の熱利用システムを備えた焼却施設の略図
【図２】本実施形態の熱利用システムの略図
【図３】本実施形態の制御のフロー図
【図４】別実施形態の熱利用システムの略図
【符号の説明】
【００３１】
１    ゴミ焼却炉
３    燃焼室
４    煙道
５    廃熱ボイラ
６    過熱器
１０  排ガス再加熱器（熱負荷）
１２  高圧蒸気溜め（熱負荷）
１３  低圧蒸気溜め（熱負荷）
１４  蒸気タービン
２０  燃焼空気予熱器（熱負荷）
２５  第１調整弁
２６  第２調整弁
２７  第３調整弁
２８  蒸気量センサ
２９  蒸気圧センサ
Ｒ１  第１蒸気経路
Ｒ２（Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ）  第２蒸気経路
Ｒ３  第３蒸気経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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