JP2010203730A - 排熱を利用した蒸気発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】工場などから出される排熱より低圧蒸気を製造し、その低圧蒸気を昇圧することで排熱の用途を拡大することのできる、排熱を利用した蒸気発生システムＡを実現する。
【解決手段】蒸気発生システムＡは、第１蒸気発生源Ｂとしてのヒートポンプ１０と、中圧蒸気製造手段Ｃを構成する第２蒸気発生源であるボイラ２０と蒸気昇圧装置としてのエゼクター３０とを備える。エゼクター３０にはボイラ２０からの第２の蒸気が駆動蒸気として供給され、またヒートポンプ１０の第１の蒸気が吸引蒸気として供給される。それにより、排熱を利用しながら、エゼクター３０から、工場で熱源として広く使用されている０．１〜１．０ＭＰａ程度の中圧の吐出蒸気を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工場などから発生する排熱より低圧蒸気を製造し、その低圧蒸気を昇圧させるようにした蒸気発生システムに関する。

工場などからは多くの排熱が発生する。排熱は、例えば、ガスエンジンなどを動力源とするコジェネレーションシステムにおけるジャケット冷却水、工場や病院等において使用される蒸気からの蒸気環水、ボイラ等の排ガスからの回収温水、固体・液体系を液体冷却した際に生じる温水のように、温水（以下、排温水という）の形態で取り出されることが多い。通常の場合、排熱から得られる排温水の温度は９０℃以下である。

これら排温水は、吸収式冷凍機の熱源やボイラ給水の予熱などには有効に用いられており、例えば、特許文献１では、吸収式冷凍機の熱源として排温水が利用されている。しかしながら、一般の工場における熱利用には、０．１〜１．０ＭＰａ（Ｇ）程度の中圧蒸気が求められており、上記のように９０℃以下である排温水のみからでは正圧の蒸気を製造することはできず、その用途はきわめて限定的とならざるを得ない。結果として、多くの排熱が使用されずに放熱されているのが現状である。

一つの解決策として、特許文献２および特許文献３には、ヒートポンプを用いることにより排温水を熱源として低圧の蒸気を発生することが提案されている。ヒートポンプを用いることにより、排温水の用途を拡大することは可能であるが、現状で、発生する蒸気の圧力は０．１ＭＰａ（Ｇ）程度であり、そのままでは用途が限られることから、工場などにおいて広く利用されるには至っていない。

特開１９９９−３２５６４６号公報 特開２００７−２３２３１３号公報 特開２００７−２３２３５７号公報

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、工場などから出される排熱の用途を拡大することを課題とし、より具体的には、工場などから出される排熱を利用して得られる低圧蒸気をより高い圧力の蒸気に昇圧し、それにより排熱の用途を拡大することのできる、排熱を利用した蒸気発生システムを実現することを課題とする。

上記の課題を解決する本発明による排熱を利用した蒸気発生システムは、第１の排熱から第１の蒸気を製造する第１蒸気発生源と、前記第１の蒸気を吸引蒸気として利用する中圧蒸気製造手段とを少なくとも備え、前記中圧蒸気製造手段から前記第１の蒸気よりも圧力の高い吐出蒸気を得ることを特徴とする。

限定されないが、第１の排熱には、ガスエンジンなどを動力源とするコジェネレーションシステムのジャケット冷却水や、工場や病院等において使用される蒸気からの蒸気環水が好適であり、第１蒸気発生源としては、ヒートポンプによる昇温システムを備えたものが好適である。限定されないが、ヒートポンプとしては第二種吸収ヒートポンプが好適であり、ヒートポンプを用いることによりシステムの制御も容易となる。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムのより具体的な第１の形態において、前記中圧蒸気製造手段は、前記第１の排熱とは異なる第２の熱源から前記第１の蒸気よりも圧力の高い第２の蒸気を製造する第２蒸気発生源と前記第２の蒸気を駆動蒸気として利用する蒸気昇圧装置とで構成される。そして、前記蒸気昇圧装置には前記第１の蒸気が吸引蒸気として供給され、前記蒸気昇圧装置は、前記第２の蒸気を駆動蒸気として利用して、中圧の吐出蒸気を製造する。吐出蒸気は前記第１の蒸気よりも圧力が高く、前記第２の蒸気よりも圧力が低い。

前記第１の形態では、蒸気発生システムの作動に必要なエネルギーを、基本的に排熱の持つエネルギーから得ることが可能であり、排熱を有効利用することができ、省エネルギー化が図られる。限定されないが、前記第２の熱源には燃料の燃焼ガスやガスエンジン等である内燃機関の排ガスの持つ熱が好適に用いられる。その場合、第２蒸気発生源にはボイラまたはエンジン排ガスボイラが好適に用いられる。また、蒸気昇圧装置としては、エゼクターまたは蒸気駆動のコンプレッサーが好適に用いられる。

上記形態の排熱を利用した蒸気発生システムにおけるさらに具体的な態様では、前記第１の排熱には例えばガスエンジンなどである内燃機関からの排温水の持つ熱が利用され、前記第２の熱源には同じ内燃機関の燃焼排ガスが利用される。前記内燃機関は、限定されないが、コジェネレーションシステムにおける駆動源としてのガスエンジンなどの内燃機関であってもよい。このシステムでは、コジェネレーションシステムの総合効率をさらに向上させることができる。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムのより具体的な第２の形態において、前記中圧蒸気製造手段が外部動力駆動コンプレッサーとされる。外部動力駆動コンプレッサーとして、好適には電気駆動コンプレッサーやエンジン駆動コンプレッサーが用いられる。そして、この形態においても、前記中圧蒸気製造手段から得られる吐出蒸気として、好ましくは、工場などでの熱源として求められる０．１〜１．０ＭＰａの中圧蒸気が得られるようにされる。この形態では、外部動力駆動コンプレッサーとして、電気駆動コンプレッサーが用いられる場合、電気駆動コンプレッサーを用いて吸引蒸気を中圧の吐出蒸気とするのに、電気駆動コンプレッサーを駆動するための系統電力を必要とするが、安定して中圧の吐出蒸気を入手できる利点がある。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムの他の態様において、前記中圧蒸気製造手段の蒸気吐出側に一次圧力調整弁が備えられ、前記中圧蒸気製造手段からの吐出蒸気圧が一定となるように前記中圧蒸気製造手段の運転が制御される。一般に、吐出蒸気使用側での負荷が変化したときに生じる吐出圧力の変動によって、中圧蒸気製造手段を構成するエゼクターやコンプレッサーの吸引比（駆動蒸気量/吸引蒸気量）が変動してシステム効率が低下するが、上記態様の蒸気発生システムでは、その効率低下を効果的に防止して、安定した状態でのシステム運転が可能となる。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムのさらに他の態様において、前記第１蒸気発生源の内部に、前記中圧蒸気製造手段への吸引蒸気供給路内の圧力が設定値を超えたときに前記吸引蒸気供給路への吸引蒸気の供給を停止する蒸気供給停止手段もしくは蒸気圧力減少手段を備えるとともに、前記吸引蒸気供給路は蒸気供給停止手段を備えない態様とすることもできる。この態様では、吸引蒸気供給路内に通常設けられる安全手段としての蒸気供給停止手段を省略することができ、システムの簡素化を図ることができる。蒸気圧力減少手段として、好適には排温水のバイパスや第１蒸気発生源からの蒸気の放出が用いられる。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムの他の態様において、前記中圧蒸気製造手段からの吐出蒸気の過熱度を算出する算出手段と、過熱度に応じた水を吐出蒸気に供与する手段をさらに備えることもできる。この態様では、中圧蒸気製造手段からの吐出蒸気が過熱蒸気の場合、過熱蒸気の持つエネルギーを利用することで、蒸気量を増大させることができる。

本発明による排熱を利用した蒸気発生システムの他の態様において、ヒートポンプが汽水分離機を備える場合、蒸気昇圧装置を汽水分離機内に設置することもできる。この態様では、ヒートポンプと蒸気昇圧装置を接続する配管を省略することができ、圧力損失や温度低下を低減させることができる。

本発明は、さらに、前記した中圧蒸気製造手段が外部動力駆動コンプレッサーとされる排熱を利用した蒸気発生システムと、内燃機関を駆動源に持つコジェネレーションシステムとの組み合わせシステムであって、前記コジェネレーションシステムが発電する電力を前記外部動力駆動コンプレッサーの駆動電力として利用し、前記内燃機関の排熱を前記第１の排熱として利用するようにした蒸気発生システムをも実現する。

本発明によれば、工場などから出される排熱を利用して低圧の蒸気を製造し、さらにその低圧蒸気を昇圧してより圧力の高い蒸気を入手することができるので、排熱の利用分野をこれまでよりも格段に広げることができ、排熱の有効利用に資することができる。

本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第１態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第２態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第３態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第４態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第５態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第６態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第１の形態の第７態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第２の形態の第１態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第２の形態の第２態様を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第３の形態を説明する図。 本発明による蒸気発生システムの第４の形態を説明する図。

以下、本発明による排熱を利用した蒸気発生システムのいくつかの具体例を、図面を参照しながら説明する。

［第１の形態−その１］
図１に示す蒸気発生システムＡ１は、第１蒸気発生源Ｂとして温水熱源ヒートポンプ１０を用いており、中圧蒸気製造手段Ｃは、第２蒸気発生源であるボイラ２０と蒸気昇圧装置であるエゼクター３０とで構成される。

温水熱源ヒートポンプ１０には、例えばエンジンコジェネレーションシステムのジャケット冷却水、あるいは工場や病院等にて利用される蒸気からの蒸気環水である排温水（本発明でいう、第１の排熱に相当する）が供給される。通常、この種の排温水は９０℃以下である。温水熱源ヒートポンプ１０内で排温水を熱源としての給水の昇温が行われ、温水熱源ヒートポンプ１０は吸引蒸気供給路１２に、エゼクター３０で用いられる吸引蒸気（本発明でいう、第１の蒸気）を排出する。なお、Ｖｈ１、Ｖｈ２は流量制御弁であり、Ｐｈは吸引側での圧力計である。温水熱源ヒートポンプ１０は制御盤１１を備えており、圧力計Ｐｈの値に応じて、流量制御弁Ｖｈ１、Ｖｈ２の開度を制御する。また、制御盤１１と後記するエゼクター３０に取り付けた制御盤３１との間でも情報交換が行われる。さらに、制御盤１１は、吸引蒸気供給路１２内の圧力が設定値を超えたことを圧力計Ｐｈが検出したときに、流量制御弁Ｖｈ１を遮断する機能も備えており、温水熱源ヒートポンプ１０内へ吸引蒸気供給路１２から高圧の駆動蒸気が逆流するのを防止し、安全性を担保している。

第２蒸気発生源であるボイラ２０は、燃料として都市ガスなどを用いる通常のボイラであってよく、制御盤２１を備える。図示しないが、工業炉などの排ガスを熱源とする排ガスボイラを用いることもできる。該ボイラ２０は本発明でいう第２の熱源に相当し、第２の蒸気を発生させる。前記第２の蒸気は、流量制御弁Ｖｅ１を通り、蒸気昇圧装置であるエゼクター３０に駆動蒸気として供給される。Ｐｅ１は、駆動蒸気の圧力を測定する圧力計である。駆動蒸気の圧力は、温水熱源ヒートポンプ１０からの吸引蒸気（第１の蒸気）よりも高い圧力である。

上記のように、前記エゼクター３０には、前記ボイラ２０から比較して高圧である駆動蒸気が供給され、吸引蒸気供給路１２を通して温水熱源ヒートポンプ１０から比較して低圧である吸引蒸気が供給される。それにより、エゼクター３０は前記した第１の蒸気である吸引蒸気よりも圧力の高い蒸気を製造し、それが吐出蒸気として排出される。エゼクター３０は制御盤３１を備えると共に、吐出蒸気の流路には、圧力計Ｐｅ２と流量制御弁Ｖｅ２が取り付けられ、流量制御弁Ｖｅ２を通過した中圧の吐出蒸気が、工場などの消費側へ供給される。

なお、一般に、エゼクターを用いる中圧吐出蒸気製造システムでは、吸引用蒸気発生設備の安全性担保のために、吸引蒸気供給路１２に、図１に点線で示すような、圧力計Ｐｅ３と流量制御弁Ｖｅ３とからなる安全機構１３ａを設け、圧力計Ｐｅ３の計測圧力がある圧力を上回ったときに、蒸気逆流と判断して流量制御弁Ｖｅ３を閉とする制御が取られるが、本発明による蒸気発生システムＡ１では、温水熱源ヒートポンプ１０内に圧力計Ｐｈと流量制御弁Ｖｈ１とからなる安全機構１３を組み込んだことで、安全機構の共用化が可能となり、前記した圧力計Ｐｅ３と流量制御弁Ｖｅ３からなる安全機構１３ａを省略することができる。それにより、システムの簡素化および低コスト化が可能となっている。

運転に際し、圧力計Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈの圧力信号は制御盤３１に送られ、流量制御弁Ｖｈ１、Ｖｈ２、Ｖｅ１の弁開度を制御する。また、制御盤２１と制御盤３１との間での情報交換により、ボイラ２０の制御も行われる。

上記の蒸気発生システムＡ１は、制御盤１１、２１、３１により、圧力計Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈの圧力信号に基づいて、流量制御弁Ｖｈ１、Ｖｈ２、Ｖｅ１の弁開度を適宜制御することによって、中圧蒸気製造手段Ｃから、０．１〜１．０ＭＰａ程度の中圧の吐出蒸気を得ることができる。

さらに、蒸気発生システムＡ１は、システムの安定した運転や高効率化を目的として、種々の制御態様を取ることができる。以下でそれを説明する。なお、以下の説明で、Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈという場合には、前記した圧力計Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈで計測される圧力値をいうこととする。

第１の制御態様では、Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈの値に応じて、流量制御弁Ｖｅ１および（または）Ｖｈ１の開度を制御盤３１、１１によって制御することにより、吐出蒸気の安定した供給が可能となる。すなわち、各圧力が決定すると、それに最適な吸引蒸気量と駆動蒸気量の比率が自ずと決まってくるので、その流量の比率に応じた信号を流量制御弁Ｖｅ１および（または）Ｖｈ１に与えて、それぞれの弁開度を決定することで、安定した圧力と流量の吐出蒸気を継続して供給することができる。

第２の制御態様では、Ｐｅ１および（または）Ｐｅ２の値に応じて、流量制御弁Ｖｈ１によりＰｈの圧力を制御することで、システムの高効率化を図ることができる。すなわち、エゼクター３０の特性としてＰｅ１やＰｅ２の値により自ずと吸引可能な最低圧力が決まる。一方、Ｐｈの値が低いほどヒートポンプ１０の入熱量は増加するため、Ｐｈの値を負荷に応じて極力低い値を設定することで、排熱または排温水の熱回収量を増大させることができる。例えば、Ｐｅ２の値が低下した場合に、制御盤によって、流量制御弁Ｖｈ１を開方向へ移行させて、Ｐｈの値を必要最低限の圧力となるように制御する。

第３の制御態様では、Ｐｅ１および（または）Ｐｅ２の値に応じて、ボイラ２０の蒸気設定圧力を制御することで、システムの高効率化が図られる。すなわち、例えば、Ｐｈの値が固定値である場合、エゼクター３０から所望の圧力Ｐｅ２の吐出蒸気を得るのに必要となる駆動蒸気の圧力Ｐｅ１は自ずと決まる。一方、駆動蒸気の圧力が低いほどボイラ２０自体の効率は向上するため、ボイラ２０の設定圧力を負荷に応じて極力低い値を設定することで、ボイラ２０の燃料消費量を減少させる。例えば、吐出圧力Ｐｅ２が低下した場合には、制御盤によってボイラ２０の設定圧力を下げることにより、システムの効率化が図られる。

第４の制御態様では、駆動蒸気の供給に余裕がある場合、ヒートポンプ１０を停止し、排温水から負圧蒸気を製造し吸引するような運転態様を取ることもできる。それにより、システムの高効率化が図られる。すなわち、吸引蒸気量が設計値に対して少ない場合、ヒートポンプを介さずに負圧蒸気を製造することで、排温水の蒸気への変換効率を高めるようにする。この場合、エゼクター３０の吸引比（駆動蒸気量／吸引蒸気量）は上昇するが、ヒートポンプ１０のＣＯＰ（蒸気出力/エネルギー投入量（電力の場合は一次エネルギー投入量））が１以下である場合は、排温水から負圧蒸気への変換ＣＯＰが１であるために、排温水の蒸気への変換効率が向上する。例えば、設計値ではエゼクター３０の吸引比２であるときに、吸引蒸気量が少なく、吸引比５で運転されていた場合には、温水からの負圧蒸気を吸引比４で吸引するようになる。

第５の制御態様は、駆動蒸気が流れはじめてから流量制御弁Ｖｈ１を開くようにする運転態様であり、このことで、蒸気の逆流を防止することができ、システムの安全性が向上する。例えば、流量制御弁Ｖｈ１の開度を、Ｐｈがエゼクター３０の運転条件から決まる吸引可能最低圧力以上となるよう制御することで、蒸気の逆流によるヒートポンプ１０への高圧の駆動蒸気流入を防ぐことができる。

第６の制御態様は、圧力計Ｐｅ１または圧力計Ｐｅ２が異常圧力検知をした場合、蒸気逆流防止のため流量制御弁Ｖｈ１および流量制御弁Ｖｈ２を閉とする制御態様であり、この態様では、蒸気の逆流の可能性をすばやく探知することでヒートポンプ１０への高圧の駆動蒸気の逆流を防ぐことができる。

第７の制御態様は、Ｐｈが所定圧力以上に上昇した場合、蒸気逆流と判断し流量制御弁Ｖｈ１および流量制御弁Ｖｈ２を閉とする制御態様であり、この態様では、ヒートポンプ１０自身が逆流を検知することで逆流時の対応を早めることができる。

第８の制御態様は、圧力計Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｈの計測値や流量制御弁Ｖｅ１、Ｖｅ２、Ｖｈ１のバルブ開度のトレンドから、吐出蒸気側の負荷を予測し、ヒートポンプ１０が先行して容量制御（温水または冷却水のバイパス、溶液の希釈、給水流量の制御など）を行う制御態様であり、予測により容量制御を行うことで制御の時間遅れをカバーすることが可能となり、負荷変動に対する対応の高速化が図られる。例えば、Ｐｅ２が上昇した場合、吸引可能蒸気量が減少し、それに併せ入熱も減少し、Ｖｈ２はバイパス方向へ移行する。この時間遅れをＰｅ２の値に応じて流量制御弁Ｖｈ２を制御することでカバーすることができる。

上記した排熱を利用した蒸気発生システムは、駆動蒸気、吸引蒸気、吐出蒸気の各圧力を測定し、それに基づき料金削減量やＣＯ_２削減量をコンピュータで演算し、運転状況をディスプレー上にモニター表示することもできる。これにより、蒸気発生システムの有効性をよりはっきりとアピールすることができる。

［第１の形態−その２］
図２に示す蒸気発生システムＡ２は、温水熱源ヒートポンプ１０へ供給する排温水としてコジェネレーションシステムからの排熱を利用した排温水を用いている点で、図１に示した蒸気発生システムＡ１と相違する。図２において、４０はコジェネレーションシステムの駆動部であり、内部にガスエンジン等のエンジン４１を備える。駆動部４０にはエンジン４１のための燃料（例えば、都市ガス）が供給され、エンジン４１の作動により電力が取り出される。エンジン４１の冷却水は排温水とされて、温水熱源ヒートポンプ１０に供給される。さらに、蒸気発生システムＡ２では、駆動部４０からの高温の排ガス（例えば、ガスエンジンの排ガスなど）は、前記したボイラ２０（好適には、エンジン排ガスを熱源として利用するボイラ）の熱源として利用される。

他の構成およびエゼクター３０などの作動態様は図１に示した蒸気発生システムＡと同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

この態様の蒸気発生システムＡ２では、コジェネレーションシステムの駆動部４０からの排熱を有効利用することができ、コジェネレーションシステムの総合効率向上へも資することもできる。

［第１の形態−その３］
図３に示す蒸気発生システムＡ３は、ボイラまたは排ガスボイラ２０からの排ガスと温水熱源ヒートポンプ１０の熱源温水との間で、熱交換器４２を介して熱交換するようにした点で、図１に示す蒸気発生システムＡ１と相違する。この熱交換により、温水熱源ヒートポンプ１０の温水入口温度を向上させることができ、それに伴い、前記吸引蒸気の圧力および（もしくは）流量も上昇する。それにより、吐出蒸気の高圧化もしくは吸引比の低下に結びつけることが可能となる。他の構成およびエゼクター３０などの作動態様は図１に示した蒸気発生システムＡと同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

［第１の形態−その４］
図４に示す蒸気発生システムＡ４は、前記した蒸気発生システムＡ２と蒸気発生システムＡ３とを合体させたシステムである。

［第１の形態−その５］
図５に示す蒸気発生システムＡ５は、エゼクター３０の吐出側の流量制御弁Ｖｅ２を一次圧力調整弁Ｖｅ２１とした点で、図１に示す蒸気発生システムＡ１と相違している。この形態では、吐出蒸気側の負荷が変動したときでも、一次圧力調整弁Ｖｅ２１を制御することで吐出圧力を一定に維持することが可能であり、吐出圧力が変動することによるエゼクター３０の吸引比の悪化を防ぐことができる。それによりシステムの高効率化、安定化を図る。

なお、蒸気発生システムＡ５における他の構成およびエゼクター３０などの作動態様は図１に示した蒸気発生システムＡ１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

［第１の形態−その６］
図６に示す蒸気発生システムＡ６は、蒸気昇圧装置として、エゼクター３０に代えて、蒸気駆動コンプレッサー３０Ａを用いた点で、図３に示す蒸気発生システムＡ３と相違する。蒸気発生システムＡ６における他の構成は、図３に示した蒸気発生システムＡ３と同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。この態様においても、蒸気駆動コンプレッサー３０Ａはエゼクター３０と同様に中圧蒸気を吐出蒸気として製造することができる。ボイラで熱交換した後の排ガスの熱量が小さい場合には、熱交換器４２を用いずにボイラで熱交換した後の排ガスをそのまま廃棄するようにしてもよい。

［第１の形態−その７］
図７に示す蒸気発生システムＡ７は、図４に示した蒸気発生システムＡ４において、エゼクター３０に代えて、蒸気駆動コンプレッサー３０Ａを用いた点で相違している。他の構成は、図４に示した蒸気発生システムＡ４と同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。この態様においても、蒸気駆動コンプレッサー３０Ａはエゼクター３０と同様に中圧蒸気を吐出蒸気として製造することができる。ボイラで熱交換した後の排ガスの熱量が小さい場合には、熱交換器４２を用いずにボイラで熱交換した後の排ガスをそのまま廃棄するようにしてもよい。

［第２の形態−その１］
図８は、本発明による蒸気発生システムの第２の形態を示す。この蒸気発生システムＡ８は、第１蒸気発生源Ｂとして温水熱源ヒートポンプ１０を用いることは、上記した第１の形態の蒸気発生システムＡ１と同じであるが、中圧蒸気製造手段Ｃとして、外部動力駆動コンプレッサー５０を用いている点で、蒸気発生システムＡと相違する。外部動力駆動コンプレッサー５０に関する構成を除き、他の構成および作動は、図１に示した蒸気発生システムＡと同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

外部動力駆動コンプレッサー５０は外部動力５２と制御盤５１を備えており、外部動力５２により駆動される。外部動力駆動コンプレッサー５０の吐出側には、蒸気発生システムＡの場合と同様に、圧力計Ｐｅ２と流量制御弁Ｖｅ２が取り付けられ、圧力計Ｐｅ２との圧力信号は制御盤５１に送られる。蒸気発生システムＡの場合と同様に、制御盤５１によって流量制御弁Ｖｅ２が制御され、また、制御盤５１と温水熱源ヒートポンプ１０に備えた制御盤１１との間で情報交換が行われて、流量制御弁Ｖｈ１、Ｖｈ２の制御が行われる。

この態様では、外部動力駆動コンプレッサーとして電気駆動コンプレッサーが用いられる場合、系統電力を使用することが前提となるが、システム全体としては、構成を簡素化できる利点がある。また、この態様においても、流量制御弁Ｖｅ２に代えて、一次圧力調整弁を用いることもできることは、蒸気発生システムＡ５の場合と同様であり、同様な効果が得られる。

［第２の形態−その２］
図９は、本発明による蒸気発生システムの第２の形態のさらに他の態様を示す。ここでは、図８に示した蒸気発生システムＡ８と、図４に示した蒸気発生システムＡ４におけるボイラ２０およびコジェネレーションシステムの駆動部４０とを組み合わせて、一つのシステムとしている。この態様では、外部動力駆動コンプレッサーとして電気駆動コンプレッサーが用いられる。

すなわち、コジェネレーションシステムが発電する電力を前記外部動力駆動コンプレッサー５０の外部動力５２に供給して、外部動力駆動コンプレッサー５０の駆動電力として利用すると共に、コジェネレーションシステムの駆動部４０からの高温の排ガスを、前記したボイラ２０（好適には、エンジン排ガスを熱源として利用するボイラ）の熱源として利用している。さらに、図示の例では、ボイラで熱交換した後の排ガスを熱交換器４２に供給し、温水熱源ヒートポンプ１０の熱源温水との間で熱交換を図っている。また、前記ボイラ２０から得られる中圧蒸気の一部または全部を、外部動力駆動コンプレッサー５０が製造する中圧の吐出蒸気に合流させている。ボイラで熱交換した後の排ガスの熱量が小さい場合には、熱交換器４２を用いずにボイラで熱交換した後の排ガスをそのまま廃棄するようにしてもよい。

この態様の蒸気発生システムＡ９では、コジェネレーションシステムが製造する電力およびコジェネレーションシステムの駆動部４０からの排熱を有効利用することができ外部動力駆動コンプレッサー５０を用いながら、システム全体の総合効率を向上させることができる。

［第３の形態］
図１０は、本発明による蒸気発生システムのさらに他の変形例を示す。この蒸気発生システムは、上記した蒸気発生システムの複数個を直列および（または）並列に配列して、一つの蒸気発生システムＡ１０とする態様である。

図示の例では、第１蒸気発生源として一台の温水熱源ヒートポンプ１０を用い、第２蒸気発生源として、ボイラ２０Ａとボイラまたは排ガスボイラ２０Ｂを用い、さらに、蒸気昇圧装置として、３台のエゼクター３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを用いている。そして、最終的に吐出される中圧の吐出蒸気を、工場で用いられる蒸気または外部動力駆動のコンプレッサー６０の吸引蒸気として供給している。

より具体的には、第１蒸気発生源として温水熱源ヒートポンプ１０から発生する蒸気は、並列に配列した第１のエゼクター３０Ａおよび第２のエゼクター３０Ｂに、吸引蒸気として供給される。また、駆動蒸気には、ボイラまたは排ガスボイラ２０Ｂからの蒸気に、もう一つのボイラ２０Ａからの蒸気が組み合わされ、組み合わせ後の蒸気が、３台のエゼクター３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃに、駆動蒸気として供給される。

第１のエゼクター３０Ａおよび第２のエゼクター３０Ｂからの吐出蒸気は合体され、合体した状態で、第３のエゼクター３０Ｃに対して吸引蒸気として供給される。そして、第３のエゼクター３０Ｃから最終的な中圧の蒸気が吐出蒸気として排出される。

このような複合システムとすることにより、システム全体での部分負荷特性を向上させることができ、また、システム全体での運転範囲を拡大させることが可能となる。

図１０に示す例において、第３のエゼクター３０Ｃからの吐出蒸気は、図示しない測定器により、その温度と圧力が測定されて過熱度が算出され、過熱度に応じて、エゼクター出口で水の噴霧を行うようにしている。このような手段を講じることにより、吐出蒸気である過熱蒸気の持つエネルギーを使って蒸気量を増大させることができ、さらに効率を向上させることができる。なお、この過熱度を算出し過熱度に応じてエゼクター出口で水を吐出蒸気に供与する手段は、すでに説明したすべての蒸気発生システムにおいて採用することができる。

［第４の形態］
図１１は、本発明による蒸気発生システムのさらに他の変形例を示す。この蒸気発生システムＡ１１は、ヒートポンプの汽水分離器１５内にエゼクター３０を配置した構成である。この蒸気発生システムＡ１１では、前記汽水分離器１５が本発明でいう「第１の排熱から第１の蒸気を製造する第１蒸気発生源」に相当する。そして、本発明でいう「中圧蒸気製造手段」は、この例では、ボイラまたは排ガスボイラ２０とエゼクター３０とで構成される。

蒸気発生システムＡ１１において、湿り蒸気はヒートポンプの汽水分離器１５内に導入され、そこで水と蒸気に分けられる。分離した水はヒートポンプに送られ、蒸気は汽水分離器１５内に位置するエゼクター３０に吸引蒸気として供給される。一方、エゼクター３０には、ボイラまたは排ガスボイラ２０からの蒸気である第２の蒸気が駆動蒸気として供給され、それにより、エゼクター３０からは第１の蒸気よりも圧力の高い蒸気が吐出蒸気として排出される。

この形態では、吸引蒸気供給路１２などの配管系をなくすことができ、システム全体の配管抵抗を低減できることから、システムの効率化を図ることができる。

Ａ１〜Ａ１１…本発明による排熱を利用した蒸気発生システム
Ｂ…第１蒸気発生源、
Ｃ…中圧蒸気製造手段、
Ｖｈ１、Ｖｈ２、Ｖｅ１、Ｖｅ２、Ｖｅ３…流量制御弁、
Ｖｅ２１…一次圧力調整弁、
Ｐｈ、Ｐｅ１、Ｐｅ２、Ｐｅ３…圧力計（およびその値）
１０…第１蒸気発生源である温水熱源ヒートポンプ、
１１…制御盤、
１２…吸引蒸気供給路、
１５…ヒートポンプの汽水分離器、
２０…第２蒸気発生源であるボイラ、
２１…制御盤、
３０…蒸気昇圧装置であるエゼクター、
３０Ａ…蒸気駆動コンプレッサー、
３１…制御盤、
４０…コジェネレーションシステムの駆動部、
４１…ガスエンジン等のエンジン、
４２…熱交換器、
５０…中圧蒸気製造手段としての外部動力駆動コンプレッサー、
５１…制御盤、
５２…外部動力、
６０…外部動力駆動コンプレッサー。

Claims (10)

1. 第１の排熱から第１の蒸気を製造する第１蒸気発生源と、前記第１の蒸気を吸引蒸気として利用する中圧蒸気製造手段とを少なくとも備え、前記中圧蒸気製造手段から前記第１の蒸気よりも圧力の高い吐出蒸気を得ることを特徴とする排熱を利用した蒸気発生システム。
2. 前記中圧蒸気製造手段は、前記第１の排熱とは異なる第２の熱源から前記第１の蒸気よりも圧力の高い第２の蒸気を製造する第２蒸気発生源と前記第２の蒸気を駆動蒸気として利用する蒸気昇圧装置とで構成され、前記蒸気昇圧装置は、前記第１の蒸気を吸引蒸気として利用し、前記第２の蒸気を駆動蒸気として利用して前記第１の蒸気よりも圧力の高い吐出蒸気を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
3. 前記蒸気昇圧装置がエゼクターである請求項２に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
4. 前記蒸気昇圧装置が蒸気駆動のコンプレッサーである請求項２に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
5. 前記中圧蒸気製造手段から得られる吐出蒸気として、０．１〜１．０ＭＰａの吐出蒸気を得ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
6. 前記第１の排熱が内燃機関からの排温水が持つ熱であり、前記第２の熱源が同じ内燃機関の燃焼排ガスの持つ熱であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
7. 前記内燃機関がコジェネレーションシステムにおける駆動源としての内燃機関であることを特徴とする請求項６に記載の排熱を利用した蒸気発生システム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の排熱を利用した蒸気発生システムであって、前記中圧蒸気製造手段の蒸気吐出側に一次圧力調整弁が備えられ、前記中圧蒸気製造手段からの吐出蒸気圧が一定となるように前記中圧蒸気製造手段の運転が制御されることを特徴とする排熱を利用した蒸気発生システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の排熱を利用した蒸気発生システムであって、前記第１蒸気発生源はその内部に、前記中圧蒸気製造手段への吸引蒸気供給路内の圧力が設定値を超えたときに前記吸引蒸気供給路への吸引蒸気の供給を停止する蒸気供給停止手段もしくは蒸気圧力減少手段を備えており、前記吸引蒸気供給路は蒸気供給停止手段を備えないことを特徴とする排熱を利用した蒸気発生システム。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の排熱を利用した蒸気発生システムであって、前記中圧蒸気製造手段からの吐出蒸気の過熱度を算出する算出手段と、過熱度に応じた水を吐出蒸気に供与する手段をさらに備えることを特徴とする排熱を利用した蒸気発生システム。

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