(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンと、吸収ヒートポンプとを備える蒸気プラントであって、前記蒸気タービンの排蒸気を前記吸収ヒートポンプの蒸発器に低熱源として供給するとともに、
前記吸収ヒートポンプの吸収器内で生成された蒸気を、多段蒸気圧縮ヒートポンプの低圧側の圧縮段に供給して圧縮し、
前記吸収ヒートポンプの凝縮器内で生成された蒸気を、前記多段蒸気圧縮ヒートポンプの、前記吸収器内で生成された蒸気よりも高圧側の圧縮段に供給して圧縮することを特徴とする蒸気プラント。
【請求項２】
前記多段蒸気圧縮ヒートポンプにより圧縮・昇温された蒸気を水との間で熱交換させる熱交換器を備えたことを特徴とする、請求項１記載の蒸気プラント。
【請求項３】
前記熱交換器に接続された高温水槽と、前記熱交換器と高温水槽との間の連通を遮断する遮断弁と、第２の吸収ヒートポンプとを備え、
前記遮断弁を開放して前記熱交換器により生成された高温水を前記高温水槽に貯留するとともに、前記第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する通常運転を行う一方、
前記多段蒸気圧縮ヒートポンプを停止させ、前記遮断弁を閉鎖して、前記高温水槽に貯留された高温水を前記第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する消費電力抑制運転を実行可能に構成されたことを特徴とする、請求項２記載の蒸気プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの排蒸気の有効利用を図り、もって熱効率の向上を実現する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ごみ焼却施設や石油、化学処理施設等では、省エネルギ化を推進する観点から、廃熱を利用した発電や給湯等が盛んに行われている。例えば、廃熱回収型の蒸気発電プラントでは、廃熱を廃熱ボイラに導いて高温の蒸気を生成し、この蒸気により発電用の蒸気タービンを駆動する。また、蒸気タービン駆動後の排蒸気は、復水器に送給されて凝縮・液化して復水となり、これにより、蒸気タービンの排圧が減少して熱効率の向上が図られると同時に、復水もボイラへの給水として利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した蒸気発電プラントでは、復水器での冷却に海水や河川水等が用いられるため、排蒸気の熱エネルギーは海洋や河川等に放出されることになる。蒸気タービン駆動後の蒸気は比較的低温・低圧であり、動力や給湯等として利用し難いが、熱エネルギーの有効利用の観点からはその利用も望まれていた。
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、蒸気タービン駆動後の排蒸気の有効利用を図った蒸気プラントを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、蒸気タービンと、吸収ヒートポンプとを備える蒸気プラントであって、前記蒸気タービンの排蒸気を前記吸収ヒートポンプの蒸発器に低熱源として供給するとともに、前記吸収ヒートポンプの吸収器内で生成された蒸気を、多段蒸気圧縮ヒートポンプの低圧側の圧縮段に供給して圧縮し、前記吸収ヒートポンプの凝縮器内で生成された蒸気を、前記多段蒸気圧縮ヒートポンプの、前記吸収器内で生成された蒸気よりも高圧側の圧縮段に供給して圧縮するものを提案する。
【０００６】
この発明では、蒸気タービンから排出された排蒸気は、吸収ヒートポンプの蒸発器で凝縮して復水となり、その際に放出する凝縮熱により吸収器内の温水を加熱する。また、吸収器内で生成された比較的低温・低圧の蒸気は、多段蒸気圧縮ヒートポンプの低圧側の圧縮段に供給されて圧縮され、高温・高圧の蒸気となり、凝縮器内で生成された比較的低温・低圧の蒸気は、多段蒸気圧縮ヒートポンプにおいて、より高圧側の圧縮段に供給されて圧縮され、高温・高圧の蒸気となる。
【０００７】
また、請求項２の発明では、請求項１の蒸気プラントにおいて、前記蒸気圧縮ヒートポンプにより圧縮・昇温された蒸気を水との間で熱交換させる熱交換器を備えたものを提案する。
【０００８】
この発明では、熱交換器により蒸気の熱エネルギが水に移動し、これにより、より利用しやすい高温水が得られる。
【０００９】
また、請求項３の発明では、請求項２の蒸気プラントにおいて、前記熱交換器に接続された高温水槽と、前記熱交換器と高温水槽との間の連通を遮断する遮断弁と、第２の吸収ヒートポンプとを備え、前記遮断弁を開放して前記熱交換器により生成された高温水を前記高温水槽に貯留するとともに、前記第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する通常運転を行う一方、前記多段蒸気圧縮ヒートポンプを停止させ、前記遮断弁を閉鎖して、前記高温水槽に貯留された高温水を前記第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する消費電力抑制運転を実行可能に構成されたものを提案する。
【００１０】
この発明では、熱交換器に接続された高温水槽と、熱交換器と高温水槽との間の連通を遮断する遮断弁と、第２の吸収ヒートポンプとを備えた構成において、遮断弁を開放して熱交換器により生成された高温水を高温水槽に貯留するとともに、第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する通常運転と、多段蒸気圧縮ヒートポンプを停止させ、遮断弁を閉鎖して、高温水槽に貯留された高温水を第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する消費電力抑制運転とを実行可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係る蒸気プラントの一実施形態を示す概略構成図であり、同図中の符号１は抽気復水型の蒸気タービンを示している。蒸気プラントは、蒸気タービン１の他、第１，第２吸収ヒートポンプ３，５および蒸気圧縮ヒートポンプ７を主要構成要素としている。
【００１６】
蒸気タービン１は、ボイラ（図示せず）から供給された蒸気により駆動され、その出力軸には発電機９が連結されている。蒸気タービン１の排蒸気は、ごく低圧（0.05ata）かつ比較的低温（33℃）であり、第１，第２吸収ヒートポンプ３，５の蒸発器３Ｅ，５Ｅにそれぞれ低熱源として供給される。また、蒸気タービン１からの抽気蒸気は、高温（180℃）であり、第１吸収ヒートポンプ３の再生器３Ｇに駆動熱源として供給された後、ボイラの図示しない給水加熱器に流入する。  第１吸収ヒートポンプ３は、上述した蒸発器３Ｅおよび再生器３Ｇの他に吸収器３Ａと凝縮器３Ｃとを備えており、その吸収液には臭化リチウム水溶液が用いられ、冷媒には水が用いられている。吸収器３Ａと凝縮器３Ｃとには、後述する第４高温水槽１１から、高圧（10.3ata）で高温（180℃）の温水が供給され、自己フラッシュで温度降下する。
【００１７】
また、第２吸収ヒートポンプ５は、上述した蒸発器５Ｅの他に再生器５Ｇ、吸収器５Ａ、凝縮器５Ｃとを備えており、第１吸収ヒートポンプ３と同様に、その吸収液には臭化リチウム水溶液が用いられ、冷媒には水が用いられている。再生器５Ｇには、後述する第２熱交換器１５から、高温（180℃）の高温水が駆動熱源として供給され、吸収器５Ａには、後述する還水槽１７から、比較的低温（33℃）の還水が供給され、更に、凝縮器５Ｃには、吸収器５Ａを経由した温水が供給される。
【００１８】
蒸気圧縮ヒートポンプ７は、電動機１６に駆動される４段構成の各段飽和型であり、第１吸収ヒートポンプ３の吸収器３Ａおよび凝縮器３Ｃからの蒸気を圧縮して、これを第１，第２熱交換器１３，１５に供給する。蒸気圧縮ヒートポンプ７には、第１段目に吸収器３Ａからの蒸気が供給され、第２段目に凝縮器３Ｃからの蒸気が供給される。
【００１９】
第１熱交換器１３は、蒸気圧縮ヒートポンプ７からの蒸気と温水槽２１からの温水との間で熱交換を行わせるもので、この熱交換により生成された高温水が第１高温水槽２３に供給される。また、第２熱交換器１５は、蒸気圧縮ヒートポンプ７からの蒸気と第３高温水槽２５からの高温水との間で熱交換を行わせるもので、この熱交換により昇温された高温水が第２高温水槽２７に供給される。図中、３１は水路遮断弁であり、第２熱交換器１５と第２高温水槽２７との連通を遮断する。
【００２０】
以下、本実施形態の作用を説明する。
【００２１】
蒸気プラントの通常運転時において、ボイラから蒸気タービン１に流入した高温高圧の蒸気は、発電に供されて低温低圧の排蒸気となった後、第１，第２吸収ヒートポンプ３，５の蒸発器３Ｅ，５Ｅに低熱源として流入する。排蒸気は、両蒸発器３Ｅ，５Ｅ内で冷媒に凝縮熱を放出しながら凝縮し、比較的低温（33℃）の還水となって還水槽１７に供給される。
【００２２】
第１吸収ヒートポンプ３では、蒸発器３Ｅで排蒸気から放出された熱エネルギが吸収器３Ａに移動し、これにより、第４高温水槽１１から供給された高温（180℃）の温水が自己蒸発して60℃の蒸気と温水とになり、この温水が加熱されて比較的低温（60℃）の蒸気となって蒸気圧縮ヒートポンプ７の第１段目に流入する。また、再生器３Ｇで抽気蒸気から放出された熱エネルギが凝縮器５Ｃに移動し、これにより、第４高温水槽１１から供給された高温高圧の熱水が自己蒸発して80℃の蒸気と温水とになり、この温水が加熱されて比較的高温（80℃）の蒸気となって蒸気圧縮ヒートポンプ７の第２段目に流入する。
【００２３】
蒸気圧縮ヒートポンプ７では、第１吸収ヒートポンプ３からの蒸気が各段で順々に圧縮され、高温かつ高圧（10.3ata）となった状態で第１，第２熱交換器１３，１５に流入する。第１，第２熱交換器１３，１５に流入した蒸気は、凝縮熱を放出しながら凝縮し、高温水（180℃）となって第４高温水槽１１に供給される。  第１熱交換器１３では、温水槽２１からの温水（80℃）が蒸気の熱エネルギを吸収して高温水（180℃）となり、第１高温水槽２３に供給される。尚、第１高温水槽２３内の高温水は、ユーザに供給されて調理や炊飯等に供される。
【００２４】
また、第２熱交換器１３では、第３高温水槽２５からの高温水（140℃）が蒸気の熱エネルギを吸収して更に温度の高い高温水（180℃）となり、第２高温水槽２７と第２吸収ヒートポンプ５の再生器５Ｇとに供給される。
【００２５】
一方、第２吸収ヒートポンプ５では、蒸発器５Ｅで排蒸気から放出された熱エネルギが吸収器５Ａに移動し、これにより、還水槽１７から供給された低温（33℃）の還水が昇温されて比較的低温（60℃）の温水となる。そして、再生器５Ｇで高温水（180℃）から放出された熱エネルギが凝縮器５Ｃに移動し、これにより、吸収器５Ａから流入した温水が更に昇温され、こちらは比較的高温（80℃）の温水となって温水槽２１に供給される。尚、温水槽２１内の温水は、ユーザに供給されて給湯や空調等に供される。また、再生器５Ｇで熱エネルギを放出した高温水は、若干温度が低下（140℃）した状態で第３高温水槽２５に供給される。
【００２６】
さて、本実施形態では、夏期の炎天時等、電力需要がピークを迎える季節や時間帯において、第１吸収ヒートポンプ３、および蒸気圧縮ヒートポンプ７の運転を停止させ、蒸気タービン１の排蒸気と第２高温水槽２７に貯留した高温水とによって第２吸収ヒートポンプ５を駆動する。
【００２７】
すなわち、蒸気タービン１の排蒸気を第２吸収ヒートポンプ５の蒸発器５Ｅに導くと共に、水路遮断弁３１により第２熱交換器１５と第２高温水槽２７との連通を遮断して、第２高温水槽２７内の高温水を再生器５Ｇに供給する。これにより、蒸気タービン１で発電を行いながら、電力を消費せずに比較的高温（80℃）の温水を生成し、これを給湯等にそのまま用いる他、吸収式冷凍機による冷房等に供することが可能となり、電力のピークカットに多大な貢献をなすことができる。
【００２８】
このように、本実施形態の蒸気プラントでは、従来は廃棄されていた蒸気タービンの排蒸気の熱エネルギを利用して高温水や温水を生成し、これを調理や空調等に用いるようにしたため、成績係数（ＣＯＰ）の大幅な向上が実現されると共に、発電のために化石燃料等を燃焼させることがなくなるため、地球温暖化の要因となる二酸化炭素等の排出量も低減させることができる。
【００２９】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態は本発明をボイラからの蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気プラントに適用したものであるが、ボイラの熱源としてはごみ焼却施設や石油処理施設、化学処理施設等の廃熱や太陽熱を利用することができるまた、上記実施形態では、理解を容易にするべく、高温水や蒸気等の温度を具体的に記したが、これは一例に過ぎない。また、吸収ヒートポンプや蒸気圧縮ヒートポンプ等の組合せやそれらの接続形態を始め、高温水槽等のレイアウト等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、蒸気タービンと、吸収ヒートポンプとを備える蒸気プラントであって、前記蒸気タービンの排蒸気を前記吸収ヒートポンプの蒸発器に低熱源として供給するようにしたため、蒸気タービンから排出された排蒸気は、吸収ヒートポンプの蒸発器で凝縮して復水となり、その際に放出する凝縮熱により吸収器内の温水を加熱することになり、排蒸気の熱エネルギの有効利用が実現される。また、前記吸収ヒートポンプの吸収器内で生成された蒸気と、前記吸収ヒートポンプの凝縮器内で生成された蒸気とを、多段蒸気圧縮ヒートポンプにおける異なる圧縮段に供給して圧縮するようにしたため、吸収器内で生成された比較的低温・低圧の蒸気と、凝縮器内で生成された比較的低温・低圧の蒸気とは、蒸気圧縮ヒートポンプにより圧縮されて高温・高圧の蒸気となり、温水ヒートポンプの駆動熱源等として利用できる。
【００３１】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の蒸気プラントにおいて、前記蒸気圧縮ヒートポンプにより圧縮・昇温された蒸気を水との間で熱交換させる熱交換器を備えたため、熱交換器により蒸気の熱エネルギが水に移動し、これにより、より利用しやすい高温水が得られる。
【００３２】
また、請求項３の発明によれば、請求項２の蒸気プラントにおいて、熱交換器に接続された高温水槽と、熱交換器と高温水槽との間の連通を遮断する遮断弁と、第２の吸収ヒートポンプとを備えた構成において、遮断弁を開放して熱交換器により生成された高温水を高温水槽に貯留するとともに、第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する通常運転と、多段蒸気圧縮ヒートポンプを停止させ、遮断弁を閉鎖して、高温水槽に貯留された高温水を第２の吸収ヒートポンプの再生器に熱源として供給する消費電力抑制運転とを実行可能となる。このため、電力需要がピークを迎えるときに、蒸気タービンで発電を行いながら、電力を消費せずに、高温水を給湯等に用いる他、吸収ヒートポンプによる冷房等に供することが可能となり、電力のピークカットに貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気プラントの一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  蒸気タービン
３  第１吸収ヒートポンプ
３Ｅ  蒸発器
３Ａ  吸収器
３Ｇ  再生器
３Ｃ  凝縮器
５  第２吸収ヒートポンプ
５Ｅ  蒸発器
５Ａ  吸収器
５Ｇ  再生器
５Ｃ  凝縮器
７  蒸気圧縮ヒートポンプ
９  発電器
１１  第４高温水槽
１３  第１熱交換器
１５  第２熱交換器
１７  還水槽
２１  温水槽
２３  第１高温水槽
２５  第３高温水槽
２７  第２高温水槽
３１  水路遮断弁
【図１】
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