(57)【要約】  本発明は、電力の供給と、熱主導で操作されるプロセス蒸気を供給することを第１の目的とする熱併給型コンバインド発電所の高圧蒸気の供給とを分離するための方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定温で動作する少なくとも１つの熱蓄熱器に発電所のプロセス蒸気の凝縮熱を一時格納することを伴う、火力発電所の柔軟性を向上する方法において、前記定温で動作する少なくとも１つの熱蓄熱器が少なくとも１つの蒸気熱圧縮機を介して前記発電所に接続されることにより、前記熱蓄熱器で蓄熱されたプロセス蒸気の圧力レベルで格納部放出蒸気を供給できることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記発電所が、電気とプロセス蒸気とを生成する産業用ＣＨＰプラントであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記定温で動作する熱蓄熱器は、熱を潜熱の形または化学的結合エネルギーの形で格納する熱蓄熱器であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
請求項３に記載の前記熱蓄熱器が、過熱戻し熱と過冷却熱を受け入れ、かつ凝縮物を受け入れるためのモジュールを使用して格納システムに膨張させ得ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機が、駆動側でより高い圧力段から蒸気によって供給され、圧縮されるプロセス蒸気または格納システムからの圧縮される放出蒸気は、吸込側で導入されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機が、格納システムの蓄積側で接続されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機が、格納システムの放出側で接続されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
複数の前記蒸気熱圧縮機が並列に接続されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機が制御されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
蒸気供給システムの異なった圧力段での複数の別個の格納システムが、各圧力段からのプロセス蒸気で蓄熱されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の供給と、熱主導で操作されるプロセス蒸気を供給することを第１の目的とする熱併給型コンバインド発電所の高圧蒸気の供給とを分離するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー（ＦＲＥ）源からの発電の増加は、火力発電所の柔軟性の向上を必要とし、特に産業用熱併給型コンバインド発電所（ＣＨＰプラント）は、それらの高度の利用のため、エネルギー遷移で際立って重要である。発電所の柔軟性の向上の手段は、電力率を広くすること、および電力変化率を増加させることに関し得る。
【０００３】
背圧タービンおよび／またはタービン抽気を有する産業用ＣＨＰプラントは同時に、熱を新鮮な蒸気から高圧のプロセス蒸気と電気の形で供給する。したがって、用語、蒸気供給システムは以下そのために使用される。熱主導の操作において、蒸気消費部の要求は発電の度合いを決定する。プロセス蒸気の一時格納により、蒸気消費量から独立して発電パワーを設定できる。その結果、分離操作の持続時間のため、ＣＨＰプラントの電力を時間的にずらすことが可能である。分離操作の持続時間は、蒸気格納の容量によって制限される。
【０００４】
ＣＨＰプラントの場合は、熱および電気の供給を分離することによって、発電の柔軟性を達成することができる。これは熱の要件から独立してＣＨＰの発電パワーを変えることを可能にする。
【０００５】
分離操作において、ＦＲＥの供給が低いときに、ＣＨＰプラントの発電パワーを必要に応じて増やすことができ、ＦＲＥの供給が高いときは、逆に減少させることができる。電力の需要が高いときは、その間、過剰なプロセス蒸気は生成され、格納部に格納される。電力の需要が低いときは、蒸気格納部からプロセス蒸気が供給され、そして、ＣＨＰの発電は減少したパワーで操作される。
【０００６】
蒸気の一時格納は、また、蒸気供給と発電の負荷変動率は互いに独立して変化することを可能にする。これは蒸気生成への技術変化を全く必要としない発電の出力変化率を増加させる可能性を結果として生じる。熱発電のための高い変化速度が、ＦＲＥの急なパワー勾配を均等化するのに必要である。急速に制御可能な電力の供給は、制御電源として取引きされるサービスである。
【０００７】
発電の需給は例えば、欧州電力取引所（ＥＰＥＸ）のスポットマーケットで取引きされ、制御電源の供給は送電網運用者によって調達される。
【０００８】
格納システムにおける蒸気の一時格納の１つの可能性は、蒸気を凝縮することと熱を伝達することであり、ここで伝達する熱は、潜熱蓄熱体に放出された凝縮熱および蒸気を過熱戻ししてからの熱と凝縮したものを顕熱蓄熱体中に過冷却してからの熱である。
【０００９】
潜熱蓄熱体は、融解潜熱、溶解潜熱、または吸収潜熱がそれらの標準の比熱容量（相変化効果のない）に基づき格納できる熱より実質的に大きい、いわゆる相変化蓄熱媒体を使用する。潜熱蓄熱体の公知な例示的応用例は、太陽熱施設のタンク中の熱のブロック、冷凍ブロックまたはパラフィン充填格納要素である。
【００１０】
潜熱蓄熱体の利点は、潜熱格納物質の比較的高い特定の格納容量であり、および顕熱格納媒体における熱蓄熱に比べて蒸気の蓄積と放出との間の要求温度差が小さいことである。
【００１１】
潜熱蓄熱体（相変化蓄熱媒体）における蒸気の凝縮熱を格納する利点にもかかわらず、産業用ＣＨＰの柔軟性を高める可能性を大いに制限する深刻な問題が残っている。格納媒体と凝縮蒸気または蒸発水との間の熱伝達の温度差のため、つまり、潜熱蓄熱体を放出している間に発生した飽和した放出蒸気は、より低い温度であるので、常に、蓄熱するために使用されるプロセス蒸気より低い圧力を必要とする。その理由で、放出蒸気は、蓄熱するために使用されるプロセス蒸気の圧力段で蒸気供給システムに送り返されない。
【００１２】
蒸気の蓄積と放出との間の圧力差のこの問題は、蒸気供給システムにおける、摺動圧力格納部の統合から知られている。その理由で、それらは、放出される蒸気の圧力より高い圧力で蓄積される。
【００１３】
蒸気タービンプラントのパワーを急速に高めるための方法（ＥＰ００２６７９８Ａ１）において、背圧段における格納部からの飽和した放出蒸気を送り返すことができるようにするため、摺動圧力格納部に、背圧タービンからまたはタービン抽気の供給ラインからの蒸気を蓄積することが提案されている。
【００１４】
別の提案（ＤＥ０００００２４５８９６１Ａ１、Ｄａｍｐｆｓｐｅｉｃｈｅｒａｎｌａｇｅ）では、高圧段からの温水で摺動圧力格納部が満たされる。給湯から摺動圧力格納部の抽気へ熱を伝達することによって、過熱して飽和しただけではない蒸気をこの配置で提供することができる。
【００１５】
別の実施例では、摺動圧力格納部に蓄積する蒸気は、放出蒸気を蓄積するために使用される蒸気の圧力段へ戻すために圧縮される（ＣＨ２４０４５３Ａ、Ｄａｍｐｆ−Ｈｅｉｚａｎｌａｇｅ  ｍｉｔ  Ｓｐｅｉｃｈｅｒ）。
【００１６】
圧力上昇は、また、第１低圧摺動圧力格納部はタービンの背圧側面の放出ラインから満たされるという提案（ＤＥ３９９３００Ａ、Ｗａｒｍｅｓｐｅｉｃｈｅｒａｎｌａｇｅ  ｆｕｒ  Ｇｅｇｅｎｄｒｕｃｋｄａｍｐｆｍａｓｃｈｉｎｅｎ）おいて用いられている。背圧タービンの供給ラインからの蒸気によって操作されるコンプレッサーにより、より高い圧力レベルにある第２摺動圧力格納部は、低圧格納部から満たされる。この第２格納部は、必要なら、順番にタービンまたは背圧段へ放出蒸気を供給できる。第１または第２摺動圧力格納部が満たされるのは、どの圧力段に余分な蒸気があるかによる。
【００１７】
また、摺動圧力格納部の格納密度での増加を達成するために、蒸気格子に送り返すのに必要である温度を超えて蓄熱蒸気を圧縮する提案がある（ＣＨ１８４６８９Ａ、余分な蒸気で満たされた熱蓄熱器を有する蒸気プラント）。
【００１８】
これらの実施例は、蒸気を圧縮するために、蒸気でまたは電気的に操作する機械的なコンプレッサーを提案し、一部は蒸気熱圧縮機（ジェット装置）である。
【００１９】
潜熱蓄熱体は、より高い格納密度により摺動圧力格納部と区別され、そして、それらは放出するにつれて放出蒸気の圧力が低下するという摺動圧力格納部の欠点がない。
【００２０】
ＣＨＰプラントの柔軟性を高めるために蒸気ストレージの可能性を利用できるのは、高い格納密度であって、かつプロセス蒸気が供給の圧力段に対して定圧で戻ることを費用対効果に優れて、頑強でフレキシブルに実行可能である場合だけである。
【００２１】
ターボコンプレッサーなどの大きい蒸気流量に使用できる機械的なコンプレッサーはこれらの要件を満たさない。それらは、例えば、高い取得コストがあり、そして、突然の始動通知と停止過程において、待機時に熱く保たれなければならず、柔軟な使用に支障をきたす。
【００２２】
したがって、発電所、特にＣＨＰプラントからの蒸気の一時格納のための方法を提供する安定した需要がある。これにより、その電力をずらすことおよび／または、その電力をよりダイナミックにすることが可能であり、格納部が放出されると、その間に格納されたプロセス蒸気は、蒸気供給システムに、格納部に蓄積するために出されたプロセス蒸気の圧力レベルで送り返される。
【００２３】
驚くことに、それぞれがＣＨＰプラントのプロセス蒸気の凝縮熱を吸収するための潜熱蓄熱体を有する１つ以上の蒸気熱圧縮機と１つ以上の格納システムを接続することによって、上記した問題を解決できることを発見した。
【００２４】
蒸気熱圧縮機は、より高い圧力の推進用蒸気の補助を有する低圧吸入蒸気を圧縮するのを可能にする。産業用蒸気供給のためのＣＨＰプラントにおいて、異なった圧力段で蒸気が供給されるので、推進用蒸気を熱圧縮機に供給するのは、全く可能である。
【００２５】
蒸気熱圧縮機には可動部がない。そのため、堅牢であり、柔軟な使用に適している。
【００２６】
蒸気熱圧縮機は様々なメーカーによって提供される実証済みの構成要素である。それらは、蒸気供給、例えば、熱回収、および冷却のため、ＣＨＰプラントで一般的なものより低い圧力下でしばしば使用される。また、エネルギーの使用を最適化するのに発電所の分野でそれらを使用することを提案する。（ＤＥ１９５３５３１８Ａ１：Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ  ｕｎｄ  Ａｎｏｒｄｎｕｎｇ  ｚｕｍ  Ｖｏｒｗａｒｍｅｎ  ｄｅｓ  Ｓｐｅｉｓｅｗａｓｓｅｒｓ  ｅｉｎｅｓ  Ｄａｍｐｆｅｒｚｅｕｇｅｒｓ  ｉｎ  Ｋｒａｆｔｗｅｒｋｓｐｒｏｚｅｓｓｅｎ、ＦＲ２９８４４００Ａ１：Ｐｒｏｃｅｄｅ  ｅｔ  Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ  ｄｅ  Ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｖｅｃ  Ｔｈｅｒｍｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）。したがって、当業者にとって、発電所の柔軟性を向上する分野でも本発明による方法またはシステムにおいてそれらを使用できることは予期していなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第００２６７９８号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第０００００２４５８９６１号明細書
【特許文献３】スイス国特許発明第２４０４５３号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第３９９３００号明細書
【特許文献５】スイス国特許発明第１８４６８９号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９５３５３１８号明細書
【特許文献７】仏国特許出願公開第２９８４４００号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２８】
したがって、本発明は、第１に火力発電所、好ましくは産業用ＣＨＰプラントの、少なくとも１つの潜熱蓄熱体に対する、発電所またはＣＨＰプラントのプロセス蒸気の凝縮熱の一時格納を含む柔軟性を高めるための方法に関し、少なくとも１つの潜熱蓄熱体が、潜熱蓄熱体が蓄熱されたプロセス蒸気の圧力レベルで格納部放出蒸気を供給できるように、少なくとも１つの蒸気熱圧縮機を介してＣＨＰプラントに接続される。
【００２９】
熱交換器において、熱を吸収しおよび潜熱蓄熱体と一緒に供給された相変化材料にプロセス蒸気の凝縮の間に放出された熱を伝達するとき、相変化材料の相変化が起こる温度は選択された圧力段のプロセス蒸気が凝縮する温度より低い。同じように、相変化材料に含まれる熱を、得られた放出蒸気に伝達するために貯蔵を放出するとき、得られた蒸気の温度は相変化の温度より低い。これには、格納部を放出するとき抽出できる放出蒸気は、格納部に供給するために使用されるプロセス蒸気より低圧であるという結果がある。
【００３０】
供給するのに使用されるプロセス蒸気の圧力段の蒸気供給システムへ放出蒸気を供給できるように、１つの蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機がプロセスに統合される。接続は、供給側または格納システムの放出側で行われる。供給側での統合の場合は、供給に使用されるプロセス蒸気の圧力段で放出蒸気を供給することができるように相変化温度を高くする。格納システムの放出側における蒸気熱圧縮の統合の場合は、放出蒸気は供給に使用されるプロセス蒸気の圧力段への熱圧縮で高くされる。
【００３１】
蒸気供給システムにおける複数の蒸気熱圧縮機の統合は、モジュール方式で行うことができる。例えば、より大きい出力領域をカバーするためにそれらを並列に接続できる。また、それらは制御も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例によるシステムの図である。
【図２】本発明の第２の実施例によるシステムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明による方法の様々な実施例によると、蒸気熱圧縮のプロセス統合は格納システムの供給側または放出側で行うことができる。
【００３４】
複数の別の格納システムを蒸気供給システムの異なる圧力段で、それぞれの圧力段のプロセス蒸気で供給できることも本発明による方法で可能である。推進用蒸気としてそれぞれの上位の圧力段からの蒸気によって操作される熱圧縮機の統合によって、格納システムの放出蒸気はそれぞれの圧力段で蒸気供給システムに送り返される。
【００３５】
本発明による方法は、出力を一時的に移行することを可能にするためプロセス蒸気と電気の供給を一時的に分離する。
【００３６】
また、本発明による方法で、出力を低減するまたは出力を増加する場合に、蒸気生成の出力変化率に対して独立して発電の出力変化率を増加させることができる。
【００３７】
例えば、もし、発電機出力が、急な荷重傾斜で減少すると、蒸気生成器の出力を減少させることによって可能であるように、蒸気はタービンを通してではなくタービンバイパスステーション（図２）を通って膨張し、注水冷却の結果として生産された蒸気の超過量は一時的に格納される。逆に、復帰供給、一時格納された蒸気は、蒸気生成器の出力を上昇することによることより発生器の出力をより速く上げることを可能にする。
【００３８】
例示として、本発明による方法の２つの好ましい実施例のより詳細な説明は、あとに続く。
【００３９】
例えば、第１の好適な実施例による蒸気熱圧縮機は、格納システムの放出時に使用できる。
【００４０】
図１に示すこの構成では、放出蒸気の圧力は、熱圧縮により、供給に使用されるプロセス蒸気の圧力レベルまで上昇される。図では、バルブは説明だけのために含まれている。格納システムを蓄熱するため、圧力段１のプロセス蒸気１０は、バルブ７を介して圧力段１の格納システム８へ供給される。格納システム８が放出されると、蒸気熱圧縮機３は、駆動側４で高圧蒸気１１に接続され、かつバルブ７を介して吸込側５の格納システム８へ接続される。高圧蒸気１１は、蒸気生成１またはそれに直結されたラインから取り入れられる。圧縮された放出蒸気は、熱圧縮機３の出口６を介して、蒸気供給システムへ圧力段１のプロセス蒸気１０として送り返される。熱圧縮機３を作動するための推進用蒸気として高圧蒸気１１を使用することは、この構成において、特に電流の要求が低い時間帯に行われ、高圧蒸気は減少した出力でタービン２を介して流れる。対照的に、電力需要の高いとき、タービン２は高い出力で作動され、蒸気格納システム８は、圧力段１（出力移行）の蒸気消費部９の要件を超えているプロセス蒸気量を使用することで蓄熱される。
【００４１】
図１は更に、低い圧力段２でプロセス蒸気２０のために第２の格納システム１８を統合する可能性を例示する。格納システム１８におけるプロセス蒸気２０の格納は、バルブ１７を通して達成される。格納システム１８が放出されると、蒸気熱圧縮機１３は、駆動側１４の圧力段１からのプロセス蒸気１０に接続され、吸込側１５のバルブ１７を介して格納システム１８に接続される。圧縮された放出蒸気は、熱圧縮機１３の出口１６を介してプロセス蒸気２０として蒸気供給システムの圧力段２に送り返される。高い電力需要の期間、およびタービン２とタービン１２とが高出力のとき、圧力段２の蒸気格納システム１８は、圧力段２からのプロセス蒸気２０を使用して蓄熱され、特に、そのときの圧力段２で消費部１９の要件を超えている量を使用して蓄熱される。低い電力需要の期間、タービン２と１２とは、低出力で操作されるかまたは全く操作されず、消費部１９に圧力段２からのプロセス蒸気２０を供給することは、圧力段２の格納部１８を放出することによって、補助されるか、または引き継がれる。電気の供給とプロセス蒸気の供給とを分離することによって、この形態は、高い電力需要の期間に利用可能なＣＨＰプラントからの電力を作る。この状況で発生した余分な蒸気は、一時的かつ熱圧縮後の放出段階で格納され、プロセスの蒸気への要求をカバーしている。
【００４２】
別の好適な実施例によると、放出側に代えて格納システムを蓄熱する間、蒸気熱圧縮機を使用できる。
【００４３】
図２に示すように、このような構成において、凝縮温度は、蓄熱に使用されるプロセス蒸気の圧力を上げることによって上昇し、格納部が放出されるとき、放出された蒸気は、蓄熱に使用されるプロセス蒸気の圧力レベルにある。
【００４４】
この構成は、蒸気生成（出力増強）の減少により唯一達成できる出力変化率に関する電気生成の出力傾斜の勾配を増加させるために使用できる。電力の急な減少が例えば、制御出力の供給に必要であるとき、圧力段１からのプロセス蒸気２５は、タービン２３を迂回して、吹出冷却３５を有するタービンバイパスステーション３４を介して、圧力段２へ向けて膨張され、かつタービン２３の出力は減少される。タービンバイパスステーション３４で絞られた蒸気の温度は、吹出冷却３５を使用して噴射水３６の注入によって、圧力段２のプロセス蒸気２６の温度に設定される。この状況で発生した蒸気の追加量は、消費部３３と３７との要求を上回って一時的に発生した蒸気の量になる。圧力段１からのプロセス蒸気２５は、したがって、一時的に格納され、吸込側２９で蒸気熱圧縮機２７に供給される。熱圧縮機は、駆動側２８を介して、高圧蒸気２４を使用して操作される。高圧蒸気２４は、蒸気生成２１またはそれに直接接続されたラインから取り込まれる。熱圧縮機の出口３０の圧縮されたプロセス蒸気は、バルブ３１を介して、蓄熱のための格納システム３２に供給される。同時に、蒸気生成２１の出力は、プロセス蒸気が格納される消費を上回らなくなる程度になるまで連続的に減少する。
【００４５】
制御エネルギーを供給するサイクルの最後で、電力は、特に、出力が減少するのと同じ持続時間の期間、制御エネルギーの供給前の元の出力レベルへ上昇させなければならない。ここに示した構成において、この段階で、高圧蒸気の全てと格納システム３２からの放出蒸気とが利用可能である。
【００４６】
制御エネルギーの供給の最後で、タービンバイパスステーション３４と吹出冷却３５は、閉じられ、圧力段１からのプロセス蒸気２５は、タービン２３を介して圧力段２のプロセス蒸気２６を与えるために膨張する。同時に、格納システム３２の放出は開始される。そのために、放出蒸気は、圧力段１のプロセス蒸気２５を供給するために、バルブ３１を介して供給される。格納システム３２が放出されると同時に、蒸気生成２１は、放出蒸気の送入なしで、ＣＨＰプラントの電力が制御出力供給のサイクルの始まりから元のレベルに達したポイントまで急上昇する。
【００４７】
上記で説明した２つの構成の変形とそれに割り当てられた適用は、実施例にすぎない。その結果、例えば、また、蒸気供給システムの圧力段１で放出側における熱圧縮と格納システムとを統合して、圧力段１と圧力段２との間のタービンを迂回させるタービンバイパスステーションを統合することが想像できる。
【００４８】
本発明の１つの態様は、それぞれ過熱戻し熱、凝縮熱、および濃縮物の過冷却の間に放出された熱を吸収する複数の格納モジュールからなるプロセス蒸気の格納システムの使用であり、凝縮熱を吸収する格納モジュールは、定温で動作し、好ましくは、潜熱蓄熱体である。さらに、想像できるのは、化学的結合エネルギーの形で定温における熱エネルギーを格納する熱蓄熱器である。
【００４９】
本発明による方法は、このような格納システムが、蒸気熱圧縮機または複数の蒸気熱圧縮機の統合により、蒸気供給システムに統合され、これにより格納放出蒸気は、格納システムが蓄熱したプロセス蒸気の圧力レベルで供給されうることを特徴とする。
【００５０】
本発明による方法において、また、複数の別々の格納システムを、蒸気供給システムの異なる圧力段で、それぞれの圧力段からのプロセス蒸気を用いることにより蓄熱することが可能である。それぞれ上位の圧力段からの蒸気を推進用蒸気として使用して作動される熱圧縮機を統合することにより、それぞれの圧力段で放出蒸気をプロセス蒸気の供給システムに送り返すことが可能となる。
【００５１】
本発明による格納システムは、プロセス蒸気と電気の供給を限られた時間間隔の間分離し、および出力は一時的にずらすことができる。
【００５２】
本発明による方法は、また、出力が減少するかまたは増加すると、発電の出力変化率を蒸気生成の出力変化率から独立して増加させることを可能にする。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2017502249.tif 000005
2017502249.tif 000006
2017502249.tif 000007
2017502249.tif 000008
2017502249.tif 000009
2017502249.tif 000010