廃熱回収設備

【課題】
ヒートポンプの吸熱源水として利用する熱交換器の冷却系統における冷却水の温度を、設計範囲内に抑えることのできる廃熱回収設備を提供する。
【解決手段】
蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させる復水器１に、冷却塔４を有する冷却系統２を設け、この冷却系統２に接続する取水配管１５にヒートポンプ１３を設けて廃熱回収設備とするとき、前記冷却系統２には、前記冷却塔４の入口冷却水と出口冷却水とヒートポンプ１３の出口側の熱源循環水とのうち、少なくとも２つを混合させる配管及びこの混合水の温度を制御する制御装置１２を備えたものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回収設備に係り、特に蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させる復水器又はプラント補機の冷却水管系統中にヒートポンプを備えた発電プラントに用いる廃熱回収設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気発生装置（ボイラ）で発生した蒸気を蒸気タービンで動力に変換し、この蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させるため、復水器を備える発電プラントにおいては、復水器からの冷却水放熱は大きな割合を占め、この熱損失を回収することができると、発電プラントの効率が向上することはよく知られている。しかし、復水器を冷却後の冷却水の温度は、一般的には３０〜４０℃程度の低温水であることが多く、温度レベルが低いために未利用のまま冷却塔にて大気へ放熱又は海水へ放出されている状況にある。
【０００３】
また、発電プラントには、運転を継続するために様々な補機があり、この補機を冷却した後の冷却水も、一般的には低温水であることが多く、この冷却水も利用されずにそのまま大気へ放熱又は海水へ放出されている。
【０００４】
この低温排熱を、発電プラント内で有効に利用する１つの手段として、ヒートポンプの利用が提案されている。例えば、図８に示すように蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させる復水器１に、高温側配管３と冷却塔４と低温側配管５と冷却水ポンプ６を含む冷却系統２を設けており、この冷却系統２中には、循環ポンプ１６及びヒートポンプ１３を有する取水配管１５を接続している。
これによって、復水器１の冷却廃熱をヒートポンプ１３の蒸発器に供給し、吸熱源水としてボイラ給水を加熱し、後流に設置する脱気器や給水加熱器に供給される蒸気量を低減でき、蒸気タービン発電機の出力増加や、ボイラ燃料の使用量の低減が図れることになる。このように復水器の冷却系統に、ヒートポンプを備える例としては、例えば特許文献１などが挙げられる。
【０００５】
良く知られているようにヒートポンプは、機器の制約上利用する吸熱源水の温度変化範囲は、年間を通じて設計条件で定められた範囲とする必要があり、また、急激な温度変化も避けなければならない。万一、吸熱源水の温度条件が設計条件を守れない場合には、機器性能が著しく低下するか若しくは機器保護のために設置されている安全装置によってトリップに至ることになる。
【０００６】
一方、発電プラントの復水器やプラント補機等の冷却水源としては、冷却塔の水や海水を使用していることが多い。海水温度は、年間を通じて温度が変化し、また冷却塔の水温度は、外気湿球温度による影響が大きいため、年間の温度幅が特に大きくなる。しかも、発電負荷が頻繁に変動する場合には、冷却水の温度も頻繁に変動し、発電負荷の変動が大きい場合には、冷却水の温度変動も大きくなる。
【０００７】
【特許文献１】特開平３−９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように発電プラントにおける冷却系統の冷却水は、年間を通じての温度変動幅が大きく、更に変動速度も早いことから、ヒートポンプの吸熱源水として利用するのが難しく、しかも吸熱源水である冷却水の温度を、設計範囲内に抑えられことができず、ヒートポンプを効果的に用いることができないでいた。
【０００９】
また、一般に復水器の真空度は高くなると蒸気タービンの性能は良くなるが、逆に高真空になり過ぎると蒸気タービンの排気損失の増加により、性能は悪化する上に振動等の問題も生じる。ヒートポンプの吸熱源水として利用した後の冷却水は、温度が低下するので、この低温の冷却水の全量をそのまま復水器に排出する場合には、蒸気タービンの性能低下防止や振動防止等の対策が必要となる。
【００１０】
本発明の廃熱回収設備の目的は、発電プラントの冷却系統にヒートポンプを設けて給水を加熱するとき、ヒートポンプの吸熱源水の温度を、設計範囲内に抑えることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の廃熱回収設備では、熱交換器を有する冷却系統を設け、前記冷却系統に接続する取水配管へヒートポンプを設ける際に、前記冷却系統には、前記熱交換器の入口冷却水と出口冷却水と前記ヒートポンプの出口側の熱源循環水とのうち、少なくとも２つを混合させる配管及びこの混合水の温度を制御する制御装置を備えて構成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のように廃熱回収設備を構成すれば、年間を通じての冷却水の温度変動、発電プラントの負荷変動による冷却水の温度変動等の影響がなくなるため、ヒートポンプの吸熱源水の温度を、設計範囲内に適切に抑えて活用することが可能となる。また、ヒートポンプの導入による冷却水温度の低下を要因とした蒸気タービンの性能低下や振動発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の廃熱回収設備を、従来と同一部分を同符号で示す図の各実施例を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の一実施例である図１には、蒸気タービンの排気蒸気を凝縮するための復水器１と冷却塔４から構成される発電プラントの一部を示している。従来と同様に復水器１を含む冷却系統２に、ヒートポンプ１３を有する取水配管１５を備えている。この冷却系統２には、高温側配管３と冷却塔４と低温側配管５と冷却水ポンプ６をも含んでおり、そして図１の例では冷却系統２の低温側配管５中に、ヒートポンプ１３を有する取水配管１５を接続したものである。
【００１５】
蒸気発生器で発生した蒸気が、蒸気タービンにて仕事をした後、復水器１で蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させた後、昇温した冷却系統２の冷却水は、冷却塔４にて一部蒸発し、蒸発潜熱にて冷却されて冷却水ポンプ６にて昇圧され、再度復水器１に供給される。この冷却系統２の冷却水を、ヒートポンプ１３の蒸発器の吸熱源水として効果的に活用するため、温度レベルが異なる冷却塔４の入口冷却水と出口冷却水と前記ヒートポンプの出口側の熱源循環水とを混合させる配管構成にし、しかも許容温度範囲となるようヒートポンプの吸熱源水の入口温度を制御するようにしている。
【００１６】
即ち、ヒートポンプ１３を備える取水配管１５の熱源循環水の出口側に設ける取水配管９と、復水器１の高温側配管３から分岐した給水配管８とを接続する。そして、この接続部を、循環ポンプ１４を有する混合配管９Ａで、ヒートポンプ１３の熱源循環水の入口側となる取水配管１５と接続している。これら取水配管１５と給水配管８の接続点、及び給水配管８と取水配管９の接続点には、それぞれ三方制御弁などの温度制御弁１１、１１Ａを設け、そして各温度制御弁１１、１１Ａは制御装置１２によってその開度が制御される。
【００１７】
ヒートポンプ１３の蒸発器入口側の取水配管１５に設ける温度計１０で、熱源ヒートポンプ入口水の温度を測定し、この温度に基づいて制御装置１２により、分配混合した混合水の温度を適切に制御し、ヒートポンプ１３の蒸発器に供給する熱源循環水の入口温度を管理するものである。
【００１８】
なお、取水配管１５と給水配管８と取水配管９の３つの配管構成は、図１に示す通りに限られるものではなく、また温度制御弁１１、１１Ａは、三方制御弁の代わりに通常の制御弁を２つ組合せて構成することもできる。更に、復水器１の出口冷却水と冷却塔４の出口冷却水との温度変化幅が大きくない場合には、温度レベルの異なる２つの取水配管で構成することもできる。
【００１９】
ここで、ヒートポンプ１３の吸熱源水として利用する発電プラントの冷却水の温度変化について図２を用いて説明する。図２は外気湿球温度と冷却塔出口冷却水温度、復水器出口冷却水温度との関係の一例を示しており、冷却塔出口冷却水温度と復水器出口冷却水温度は外気湿球温度にほぼ比例して変化する。発電プラントは、設置場所にもよるが外気湿球温度の年間最大値と年間最小値の偏差は、２５℃以上になる場合も多いことから、冷却塔出口冷却水温度と復水器出口冷却水温度は一年を通して非常に大きく変動する。
【００２０】
また、冷却塔ファンの回転数制御を導入することで冷却塔出口冷却水温度は年間を通じてほぼ一定に制御できるが、追従性は遅いから外気条件が急変した場合は、一時的に温度が変動してしまうことになる。同様に、海水を冷却水として利用している場合にも一年を通しての温度変化幅が大きくなる。
【００２１】
更に、一般的に発電プラントは、所内動力等の電力のデマンドに追従して蒸気タービン呑み込み蒸気量を変化させるが、冷却水量は一定流量であることが多いため、図３に示す如く電力デマンド急増により蒸気タービン負荷が急増した場合は、冷却塔の追従が遅れて冷却塔出口冷却水温度が高くなるため、同様に復水器出口冷却水温度も変動する。このように、発電プラントの冷却水は外気条件、負荷変動による温度変動が大きいため、このままではヒートポンプの吸熱源水としては適さないことになる。
【００２２】
次に、本発明を用いた場合の温度設定要領の一例について、図４を用いて詳細に説明する。図４は復水器の負荷一定で、冷却塔ファンの回転数制御をしない場合の外気湿球温度と冷却塔出口水温度、復水器出口水温度の関係を示す。復水器の負荷が一定であれば、冷却塔出口冷却水温度と復水器出口冷却水温度は、外気湿球温度にほぼ比例して変化し、ヒートポンプの出口側吸熱源水温度も同様に変化する。
【００２３】
本発明の廃熱回収設備では、復水器1の出口冷却水と冷却塔４の出口冷却水とヒートポンプ１３の出口側の吸熱源水を混合して設定温度に制御しており、年間運転範囲におけるヒートポンプ１３の出口側の吸熱源水温度をＴｅ１、復水器1の出口冷却水温度をＴｅ２として、これらの範囲を設定温度の選定可能範囲とすると、設定温度をＴｅ１以上でＴｅ２以下の値に選定すれば年間運転範囲で設定値の制御とすることが可能である。一方、ヒートポンプ１３の特性として、吸熱源水の温度が高いほど効率が高くなるという特性があるため、復水器の負荷、外気条件の急変による制御遅れに基づく温度差ΔＴ１を考慮して、設定温度Ｔｅ２−ΔＴ１とすれば、年間を通じてヒートポンプを高効率で安定的に運用できる。
【００２４】
次に、他の温度設定要領の一例として図４の場合よりも外気湿球温度の年間の変動幅が更に大きい場合を、図５を用いて説明する。この場合、本発明の廃熱回収設備の構成のみでは、年間運転範囲内における全領域において一定温度にできる設定値がないから、外気湿球温度が高い領域では本発明の廃熱回収設備で運転し、また、外気湿球温度が低い領域では、本発明の廃熱回収設備で運転に冷却塔ファン回転数制御又は復水器の冷却水流量制御等を組合せた運転方法に変更することにより、年間を通じて設定値を維持できる。故に、設定温度は復水器負荷、外気条件急変による制御遅れによる温度差ΔＴ２を考慮して、設定温度Ｔｅ３＋ΔＴ２とすれば、年間を通じてヒートポンプを高効率で安定的に運用できる。当然のことながら、復水器の真空度が低下し過ぎないように、復水器内の圧力、ホットウェル温度等の復水器内の状況に応じて、ヒートポンプ出口吸熱源水の排出先割合を制御する。
【００２５】
上記図１の実施例では、冷却系統２に冷却塔４を設ける場合で説明しているが、公知のように海水等の冷媒を使用する場合や、冷却塔４に代えて熱交換器を介して間接的に冷却して場合に適用しても同様の効果は期待できる。
【００２６】
また、上記の実施例では、熱交換器として蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させる復水器の例について説明したが、熱交換器としては蒸気タービンの補機或いは発電機のオイルクーラ等があり、本発明の実施例ではこれらの装置を含めて熱交換器と称する。
【実施例２】
【００２７】
本発明での廃熱回収設備の他の実施例を図６に示しており、復水器１に設ける冷却系統２の低温側配管５中に、ヒートポンプ１３を有する取水配管１５を接続し、しかもヒートポンプ１３の出口側の熱源水は、復水器１入口（低温側配管５）と復水器１出口（高温側配管３）とに分配する配管構成としている。
【００２８】
即ち、ヒートポンプ１３の出口側の取水配路１５と冷却系統の高温側配管３とを、接続配管１９で接続すると共に、取水配路１５の熱源水を低温側配管５と接続する構成としている。これら取水配管１５と接続配管１９との接続点に、それぞれ三方制御弁などの分配装置１７を設け、分配水を調節するために制御装置１２によって分配装置１７は開度が制御される。
【００２９】
復水器１の圧力を測定する圧力計２１で測定し、この圧力に基づいてヒートポンプ１３の出口吸熱源水は、高温側配管３と低温側配管５とに分配されるが、その分配割合は、予め蒸気タービンの振動が発生しない範囲で、復水器１の真空度をいくつに設定すれば蒸気タービン効率が最高になるか計算しておいた関数等により、制御装置１２で計算される。
【００３０】
ここで、制御装置１２内の関数のパラメータとしては、蒸気タービン負荷等の他のパラメータを加えれば、更に精度を向上させることができ、また、制御装置１２の入力は、復水器１の状態を表すパラメータであればなんでも良く、復水器真空度の代わりに復水器ホットウェル温度、復水器入口冷却水温度、復水器出口冷却水温度等でも同様の効果が期待できる。
【００３１】
ヒートポンプ１３の吸熱源水の蒸発器出口温度は、入口温度に対し約１０℃程度低下するが、この出口冷却水を復水器1の入口冷却水へ排出し、復水器１を過冷却することは、通常は蒸気タービンの性能向上につながるが、復水器負荷が低い場合、復水器入口の冷却水温度が低い状態では復水器が超高真空の要因となり、蒸気タービンの効率低下、振動発生をおこす可能性があるが、これらの問題を解決することができし、更に蒸気タービンを常に高効率で運用することを可能となる。
【実施例３】
【００３２】
本発明の廃熱回収設備の別実施例を図７示しており、この例では従来と同様に復水器１の冷却水ポンプ６を含む冷却系統２中に、循環ポンプ１６及びヒートポンプ１３を有する取水配管１５を接続した構造に適用したもので、冷却系統２の高温側配管３と低温側配管５とを、流量調節弁２３を備えるバイパス配管２２で接続し、制御装置１２による開度制御を行っている。
【００３３】
制御装置１２は、復水器１の圧力計２１で測定する圧力と、ヒートポンプ１３の蒸発器入口側の取水配管１５中に設ける温度計１０で測定する熱源循環水の温度とに基づいて、流量調節弁２３の開度を制御する。このように、流量調節弁２３の開度を調整することで復水器１を通過する冷却水量を制御し、ヒートポンプ１３の蒸発器入口温度が、予め決められた設定温度となるよう制御する。
【００３４】
蒸気タービンは、復水器圧力が著しく低下すると、長翼段は風損熱による影響を受けるため、例えば制御装置１２内に復水器１の圧力が予め決められた圧力よりも悪くなった場合には、流量調節弁２３の開度が定めた以上大きくならないようにする等の機能を持たせておけば、発電プラント側へ悪影響を及ぼすことなく適用することができる。
【００３５】
流量調節弁２３の開度計算は、復水器圧力の代わりにホットウェル温度、蒸気タービンの排気温度等であっても同等に行える。また、本実施例では復水器を通過する冷却水量を調整するため、バイパス配管２２のみに流量調節弁２３を設置した例で説明したが、復水器１の低温側配管５とバイパス配管２２の接続点に三方制御弁を、高温側配管３とバイパス配管２２接続点に三方制御弁を、低温側配管５の復水器１入口に流量調節弁を、高温側配管３の復水器１出口に流量調節弁を設置しても同等の効果が期待できる。また、流量調節弁２３による温度制御の代わりに冷却水ポンプ６の回転数、ベーン制御等による流量制御としても同等の効果が期待でき、しかもこの場合には冷却水ポンプの動力の低減にもなる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の廃熱回収設備の一実施例を示す構成図である。
【図２】発電プラントの冷却水温度の温度変化を示す図である。
【図３】発電プラントの冷却水温度の温度変化を示す図である。
【図４】本発明を用いた場合の温度設定要領の一例を示す図である。
【図５】本発明を用いた場合の温度設定要領の他一例を示す図である。
【図６】本発明の廃熱回収設備である他の実施例を示す構成図である。
【図７】本発明の廃熱回収設備である更に別の実施例を示す構成図である。
【図８】従来の廃熱回収設備を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…復水器、２…冷却系統、３…高温側配管、４…冷却塔、５…低温側配管、６…冷却水ポンプ、８…給水配管、９、１５…取水配管、９Ａ…混合配管、１０…温度計、１１，１１Ａ…温度制御弁、１２…制御装置、１３…ヒートポンプ、１４、１６…循環ポンプ、１７…分配装置、１８…接続配管、１９…接続配管、２０…制御装置、２１…圧力計、２２…バイパス配管、２３…調節弁。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を有する冷却系統を設け、前記冷却系統に接続する取水配管には、ヒートポンプを設けた廃熱回収設備において、前記冷却系統には、前記熱交換器の入口冷却水と出口冷却水と前記ヒートポンプの出口側の熱源循環水とのうち、少なくとも２つを混合させる配管及びこの混合水の温度を制御する制御装置を備えて構成したことを特徴とする廃熱回収設備。
【請求項２】
請求項１において、前記配管は、前記ヒートポンプの出口側の熱源循環水を熱交換器出口側と入口側に分配する接続配管であることを特徴とする廃熱回収設備。
【請求項３】
請求項１において、前記配管は、熱交換器入口冷却水と熱交換器出口冷却水とを混合するバイパス配管であることを特徴とする廃熱回収設備。
【請求項４】
請求項１から３において、前記制御装置は、前記配管に設ける温度制御弁の開度を、少なくとも前記ヒートポンプの熱源循環水の温度か復水器圧力により計算するものであることを特徴とする廃熱回収設備。

【図１】