JP2018200029A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアをボイラの燃料として燃焼させる場合における熱効率を向上させる。【解決手段】ボイラで発生させた蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する発電システムであって、蒸気タービンから排出された排蒸気の熱を用いて液体アンモニアを気化させるアンモニア気化設備を備え、該アンモニア気化設備で得られた気体アンモニアをボイラに供給して燃料として燃焼させる。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関する。

ボイラを備える発電システムとして火力発電所がある。この火力発電所は、周知のようにボイラで発生させた蒸気（水蒸気）を駆動流体として蒸気タービンを駆動することにより発電を行う。例えば下記特許文献１には、このような火力発電所において、蒸気タービンの復水器の排熱を利用して暖房用温水を得る蒸気タービン設備の排熱回収システムが開示されている。

一方、下記特許文献２には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、天然ガスにアンモニアを添加した燃料をガスタービンで燃焼させることにより、二酸化炭素の排出量を削減するものである。

特開平０５−２９６００９号公報 特開２０１６−０３２３９１号公報

ところで、特許文献１に示されている火力発電所（発電システム）のボイラにおいて特許文献２に示されているようにアンモニアを燃料として燃焼させることが考えられる。このようなアンモニアを燃料として燃焼させる発電システムでは、全体的な熱効率を極力向上さるべきであるが、現状では有効な技術が開発されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアをボイラの燃料として燃焼させる場合における熱効率の向上を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、発電システムに係る第１の解決手段として、ボイラで発生させた蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する発電システムであって、前記蒸気タービンから排出された排蒸気の熱を用いて液体アンモニアを気化させるアンモニア気化設備を備え、該アンモニア気化設備で得られた気体アンモニアを前記ボイラに供給して燃料として燃焼させる、という手段を採用する。

本発明では、発電システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記アンモニア気化設備は、前記排蒸気を所定の冷却水を用いて凝縮させる復水器と、該復水器で加熱された前記冷却水と前記液体アンモニアとを熱交換させて前記気体アンモニアを生成する気化器とを備える、という手段を採用する。

本発明では、発電システムに係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記気化器は並列に複数台設けられる、という手段を採用する。

本発明では、発電システムに係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記冷却水は水あるいは海水である、という手段を採用する。

本発明によれば、蒸気タービンから排出された排蒸気の熱を用いて液体アンモニアを気化させるので、液体アンモニアの気化用に熱を用意する必要がなく、よってアンモニアをボイラの燃料として燃焼させる場合における熱効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る発電システムの機能構成を示すシステム構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る発電システムは、図１に示すように、ボイラ１、蒸気タービン２、発電機３、復水器４、供給ポンプ５、アンモニア供給装置６、気化器７及び主燃料供給装置８を備えている。また、これら各構成要素のうち、復水器４及び気化器７は、本実施形態におけるアンモニア気化設備Ｋを構成している。

ボイラ１は、バーナから火炉内に噴射した燃料を燃焼させることにより高温の排ガスを発生させ、当該排ガスによって水を加熱することによって蒸気（水蒸気）を発生させる蒸気発生器である。上記燃料は、例えば微粉炭、天然ガスあるいは重油等の主燃料と気体アンモニア（副燃料）である。このボイラ１は、このような主燃料と副燃料とを同時あるいは択一的に選択して燃焼させることにより所定量の水蒸気を発生させる。

蒸気タービン２は、ボイラ１から供給される上記を駆動流体として用いることにより回転動力を発生させる動力発生装置である。すなわち、この蒸気タービン２は、高温の排ガスが有する熱エネルギを回転動力に変換するエネルギ変換装置であり、所定出力の回転動力を発生させる。このような蒸気タービン２は、発電機３と軸結合しており、発電機３を稼働させるための動力源とし機能する。

発電機３は、蒸気タービン２によって駆動されて所定出力の電力を発生する回転電気である。すなわち、この発電機３は、蒸気タービン２の負荷であり、蒸気タービン２の回転状態に応じた出力の電力を発生して外部の電力需要者に送電する。

復水器４は、蒸気タービン２から排出された排蒸気を所定の冷却水を用いて冷却することにより凝縮させる凝縮器である。上記排蒸気は、ボイラ１から蒸気タービン２に供給され、蒸気タービン２によって動力回収された後の蒸気である。また、上記冷却水は、例えば河川から取り込んだ水あるいは海から取り込んだ海水であり、排蒸気との熱交換によって加温された後、加熱冷却水として気化器７に供給される。

供給ポンプ５は、復水器４から排出される蒸気の凝縮水をボイラ１に供給する流体機械である。すなわち、この供給ポンプ５に加えて、ボイラ１、蒸気タービン２及び復水器４は、一種のランキンサイクルを形成しており、熱媒としての水を相変化させつつ動力を回収する。この供給ポンプ５は、このようなランキンサイクルにおいて、熱媒を循環させるための動力源として機能する。

アンモニア供給装置６は、液体アンモニアを気化器７に供給する装置である。このアンモニア供給装置６は、所定量の液体アンモニアを貯留するアンモニアタンクと、当該アンモニアタンクから液体アンモニアを汲み出して気化器７に供給するアンモニア供給ポンプとを備える。なお、このアンモニア供給ポンプについては、アンモニアタンクの内圧がある程度高い場合には省略することができる。

気化器７は、アンモニア供給装置６から供給された液体アンモニアを復水器４から供給された加熱冷却水を用いて気化させる装置である。この気化器７は、一種の熱交換器であり、液体アンモニアを加熱冷却水と熱交換させることによって気化させる。このような気化器７は、並列に複数台設けられており、必要に応じて選択されたものが液体アンモニアの気化に供される。

また、気化器７は、液体アンモニアとの熱交換によって冷却された冷却水を排水として海や河川に放流する。この排水には、自然環境に配慮して温度制限が設けられており、海等から復水器４に取り入れる際の冷却水の温度（初期温度Ｔ_０）に対して許容される温度上昇ΔＴが予め設定されている。すなわち、本実施形態に係る発電システムでは、復水器４に取り込む冷却水の取込量を調節することにより、気化器７における排水の温度をＴ_０＋ΔＴ以下に設定する。

なお、上記復水器４と気化器７とは、上述したようにアンモニア気化設備Ｋを構成している。このアンモニア気化設備Ｋは、本実施形態に係る発電システムにおいて、蒸気タービン２から排出された排蒸気の熱を用いて液体アンモニアを気化させる設備である。この発電システムは、アンモニア気化設備Ｋで発生させた気体アンモニアをボイラ１で燃料として燃焼させることにより蒸気を発生させ、当該蒸気を用いて蒸気タービン２を駆動することによって発電する。

主燃料供給装置８は、上述した主燃料をボイラ１に供給する装置である。この主燃料供給装置８は、主燃料が例えば重油の場合、所定量の主燃料を貯留する主燃料タンクと、当該主燃料タンクから主燃料を汲み出して供給する主燃料供給ポンプとを備える。

次に、このような発電システムの時系列的な動作について詳しく説明する。なお、この発電システムは昼夜を問わず連続運転されることにより需要者に電力を連続的に供給するものであり、以下では運転開始後の定常運転における動作について説明する。

この発電システムでは、主燃料供給装置８から主燃料がボイラ１に常時供給されると共に気化器７から気体アンモニア（副燃料）がボイラ１に常時供給される。ボイラは、このような主燃料及び副燃料を火炉で燃焼させることにより高温の燃焼ガスを発生させ、当該燃焼ガスを水と熱交換させることによって所定量の蒸気を発生する。そして、ボイラ１は、このように発生させた蒸気を蒸気タービン２に供給する。

蒸気タービン２では、ボイラ１から供給された蒸気を駆動流体として取り込むことにより回転動力を発生させ、以って負荷である発電機３を駆動する。この結果、発電機３は、蒸気タービン２による駆動状態に応じた出力の電力を需要者に出力する。

一方、蒸気タービン２では、動力回収に供された後の蒸気つまり排蒸気が復水器４に排出される。この排蒸気は、復水器４において冷却水と熱交換されることによって凝縮し、凝縮水となる。そして、この凝縮水は、供給ポンプ５によってボイラ１に戻され、再加熱されて蒸気となる。

この発電システムでは、このように水が液体（水）と気体（蒸気）との間で相転移しつつ循環する過程で蒸気タービン２で動力が発生し、この動力で発電機３が駆動されることによって電力が発生するが、水を蒸気に相転移させる装置であるボイラ１において、副燃料として気体アンモニアを用いる。そして、この気体アンモニアは、復水器４から排出される冷却水の熱つまり蒸気タービン２から排出される排蒸気が有する排熱を利用して気化器７で生成されたものである。

すなわち、この発電システムでは、復水器４を介して廃棄されていた排蒸気の熱を再利用することによって液体アンモニアを気体アンモニアに変換し、この気体アンモニアを副燃料として利用する。したがって、本実施形態によれば、気体アンモニア（副燃料）を生成させるために別途熱源を設ける必要がないので、気体アンモニアをボイラ１の副燃料として燃焼させる場合におけるシステム全体としての熱効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、蒸気タービン２の排蒸気を復水器４で冷却水と熱交換させることによって冷却水を加温し、この加温された冷却水（加熱冷却水）と液体アンモニアを気化器７で熱交換させることによって気体アンモニアを生成したが、アンモニアの沸点がマイナス３３℃と比較的低いために加熱冷却水によって液体アンモニアを十分に気化させることが可能である。

しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、加熱冷却水よりも高温な排蒸気を液体アンモニアと直接熱交させることによって気体アンモニアを生成しても良い。ただし、この場合には、排蒸気と液体アンモニアとの温度差が加熱冷却水と液体アンモニアとの温度差よりも大幅に大きくなるので、排蒸気と液体アンモニアとの流量比のバランスに考慮する必要が懸念される。

（２）上記実施形態では、気体アンモニアをボイラ１の副燃料としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、気体アンモニアをボイラ１の主燃料としても良く、あるいは気体アンモニアを唯一の燃料としてボイラ１で燃焼させても良い。

（３）上記実施形態では、複数の気化器７を設けたが、本発明はこれに限定されない。気化器７の台数は、発電システムの冗長性や使い勝手に応じて適宜必要な台数を設ければよく、例えば１台であっても良い。

１ ボイラ
２ 蒸気タービン
３ 発電機
４ 復水器
５ 供給ポンプ
６ アンモニア供給装置
７ 気化器
８ 主燃料供給装置
Ｋ アンモニア気化設備

Claims (4)

1. ボイラで発生させた蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する発電システムであって、
   前記蒸気タービンから排出された排蒸気の熱を用いて液体アンモニアを気化させるアンモニア気化設備を備え、
   該アンモニア気化設備で得られた気体アンモニアを前記ボイラに供給して燃料として燃焼させることを特徴とする発電システム。
2. 前記アンモニア気化設備は、
   前記排蒸気を所定の冷却水を用いて凝縮させる復水器と、
   該復水器で加熱された前記冷却水と前記液体アンモニアとを熱交換させて前記気体アンモニアを生成する気化器と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記気化器は、並列に複数台設けられることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記冷却水は、水あるいは海水であることを特徴とする請求項２または３に記載の発電システム。
   
   
   

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