【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロガスタービンなどの小容量の熱電併給装置と排熱ボイラとを組み合わせた、熱電併給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、出力が３００ｋＷ未満のマイクロガスタービンが比較的小さい店舗向けの熱電併給装置として注目を浴びている。その理由の一つは、このマイクロガスタービンが、装置の量産設計によってイニシャルコストが低いためである。また、他の理由は、発電効率が２５〜２８％と高く、しかも大型ガスタービンのように、タービン主任技術者が不要なために、メンテナンスコストが低く、イニシャルコストを含めたトータルコストが低いためである。
【０００３】
前記マイクロガスタービンのような熱電併給装置は、排ガスボイラと組み合わせて熱電併給システムとして使用される（例えば、特許文献１参照。）。この熱電併給システムにおいて、前記のように熱電併給装置の方は、トータールコストの低い装置が追求され、実用化されているのに対して、排熱ボイラの方は、熱電併給システム専用に設計，製造されているのでイニシャルコストが高く、大きさの割には蒸発量および効率が低いと共にメンテナンスコストが高いために、トータルコストの高いシステムとなっていた。これらは、地球環境保全のために積極的に実用化し、普及させるべき熱電併給システムの普及を阻害する一因となっていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−４９４５号公報（第４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、熱電併給システムのトータルコストを低くすると共に、システムの総合効率を向上させることにより、熱電併給システムの普及を促進し、もって地球環境の保全に貢献することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、熱電併給装置と、この熱電併給装置からの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼させる追い炊きバーナを有する小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラとを備えたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、マイクロガスタービンと、このマイクロガスタービンからの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼させる追い焚きバーナを有する小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラとを備えたことを特徴としている。
【０００８】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記小型貫流ボイラまたは前記簡易貫流ボイラの缶体を上、下ヘッダ間に多数の水管を接続した構成として、少なくとも前記上、下ヘッダおよび前記水管配列を標準小型貫流ボイラまたは標準簡易貫流ボイラの缶体と共通化したことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、小容量の熱電併給装置と、この熱電併給装置からの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼させる追い焚きバーナを有する小型貫流ボイラとを組み合わせた熱電併給システムである。
【００１０】
前記熱電併給装置は、好ましくはマイクロガスタービンとする。前記マイクロガスタービンは、羽根車を高温・高圧ガス流で回転させて発電するタービンと、燃焼器と、前記タービンの軸につながれ前記燃焼器に吹き込む空気を高圧に圧縮する圧縮機とからなり、前記圧縮機により前記燃焼器に大量の空気（酸素）を吹き込んで激しく燃焼させ、その結果生ずる高温ガスで前記羽根車を回転させて、発電するものである。この明細書においては、前記マイクロガスタービンとは、電気事業法施行規則に規定され、出力が３００ｋＷ未満で、タービン技術主任の選任が不要であるガスタービンをいう。なお、前記熱電併給装置は、実施に応じて高温の排ガスを排出する小容量の発電用のガスエンジンとすることができる。
【００１１】
前記小型貫流ボイラは、前記熱電併給装置からの排ガスが保有する熱（排熱）を有効利用して蒸気を発生させ、その発生蒸気を蒸気使用設備へ供給するものである。
【００１２】
前記小型貫流ボイラは、労働安全衛生法施行令第１条第４号のニに規定される圧力が１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ以下で、伝熱面面積が１０ｍ２以下の蒸気ボイラで、保有水量が比較的少なく、運転やメンテナンスを行うに際しては、取扱い者は、ボイラ技士の資格が不要で、小型ボイラ取扱業務特別教育を受講すれば良い。従って、メンテナンスコストが低い排熱ボイラである。そして、標準，すなわち量産設計の小型貫流ボイラは、大型の炉筒ボイラなどと対抗するために、ボイラ効率の向上および装置の小型化，低コスト化に取り組み、これを実現したことは、周知のとおりである。
【００１３】
また、前記小型貫流ボイラは、構成的には、上、下ヘッダ間に多数の水管を接続した缶体と、前記熱電併給装置からの排ガスを燃焼用空気としてガス燃料などの燃料を燃焼させ、前記水管を加熱する追い焚きバーナとを具備したものとしている。
【００１４】
前記缶体は、前記標準小型貫流ボイラの缶体と、少なくとも上、下ヘッダおよび水管の配列構成を共通化している。これにより、熱電併給システム専用の排熱ボイラを新規に設計する場合と比較して、この発明の実施の形態の小型貫流ボイラの設計および製造コストを大幅に低減している。なお、前記水管の配列構成を共通化するとは、前記水管の配列ピッチを変えずに、前記水管の長さを変えるものも含む。また、実施に応じて、この実施の形態の前記小型貫流ボイラの缶体の構成の全てにおいて、標準小型貫流ボイラの缶体と共通化することができる。
【００１５】
ちなみに、出願人は、前記標準小型貫流ボイラとして、蒸発量が０．５ｔ／ｈ，０．７５ｔ／ｈ，１ｔ／ｈ，１．５ｔ／ｈ，２ｔ／ｈのものを製造販売している。よって、この発明の前記小型貫流ボイラは、前記熱電併給装置からの排ガス中の酸素濃度および排ガス量と前記蒸気使用設備の使用蒸気量（要求蒸気量）に応じて、これらの標準小型貫流ボイラから選択される。そして、１台の前記小型貫流ボイラでは蒸発量が不足する場合は、複数台の前記小型貫流ボイラを前記熱電併給装置に接続して使用する。複数台接続する場合は、実施に応じて、前記小型貫流ボイラと後記の簡易貫流ボイラとを組み合わせて接続することができる。
【００１６】
また、前記標準小型貫流ボイラとしては、所謂ωフロータイプや全周吹き出しタイプのボイラが使用される。これらのボイラにおいては、ボイラ効率の向上が前記のように追求されており、所謂ωフローの前記標準小型貫流ボイラでは、９０％以上のボイラ効率が達成されている。また、所謂全周吹き出し型の小型貫流ボイラにおいても同様のボイラ効率が達成されている。
【００１７】
ところで、マイクロガスタービンを用いた熱電併給システムにおいては、許容圧損が高くなく（１００〜２００ｍｍＡｑ）、排ガスボイラの圧損が前記許容圧損を超えると、前記マイクロガスタービンの出力が低下し、それに伴い部分負荷となるために効率が低下し、軸受けなどを損傷する場合も有る。よって、この発明の実施の形態の小型貫流ボイラの缶体の圧損の低減が、システム構成上重要である。
【００１８】
この実施の形態においては、前記マイクロガスタービン１台に前記小型貫流ボイラ１台を接続する場合、前記水管の長さを前記標準小型貫流ボイラのそれより長くして圧損を低減する一方、前記水管に装着するフィンの配列ピッチを前記標準小型貫流ボイラのそれよりも小さくして、熱流束を増加させるなどの工夫をして、フィン部における燃焼ガスの流速を２０ｍ／ｓ程度に設定することで、前記小型貫流ボイラを熱電併給システムに適したボイラとして構成することが好ましい。また、圧損の少ない前記全周吹き出し型の標準小型貫流ボイラは、この発明の小型貫流ボイラとして好適である。
【００１９】
前記追い焚きバーナは、燃焼用空気を前記熱電併給装置からの排ガスとするが、排ガス中の酸素濃度，排ガス温度，排ガス量が、前記標準小型貫流ボイラの燃焼用空気と異なるために、これに合わせた構造のバーナとし、前記標準小型貫流ボイラに用いるバーナと構造を異ならせることが好ましい。
【００２０】
具体的には、前記熱電併給装置をマイクロガスタービンとした場合、排ガス温度が約３００℃であるので、標準小型貫流ボイラの燃焼用空気の温度（大気温度）に比較して、かなり高い。その結果、ガス流速が早くなり、これに伴って燃焼速度が速くなるので、こうした条件下でも良好な燃焼が行えるよう前記追い焚きバーナを構成することが望ましい。なお、前記追い焚きバーナの構成の変更は、前記追い焚きバーナそのもの変更だけではなく、前記追い焚きバーナへ排ガスを導くウウインドボックスの変更を含むものである。勿論、燃焼性を問題としなければ、前記追い焚きバーナとして、前記標準小型貫流ボイラのバーナをそのまま用いることができる。
【００２１】
前記の実施の形態においては、排ガスボイラとして前記小型貫流ボイラを用いているが、前記熱電併給装置の排ガス量が、少ない場合には、前記小型貫流ボイラの代わりに簡易ボイラを用いることができる。前記簡易ボイラは、労働安全衛生法施行令第１条第３号のホに規定される圧力が１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ以下で、伝熱面面積が５ｍ２以下の蒸気ボイラで、小型貫流ボイラと同様保有水量が比較的少なく、運転やメンテナンスの際にはボイラ技士の資格が不要で、小型ボイラ取扱業務特別教育も不要である。前記簡易ボイラを用いる場合も、小型貫流ボイラを用いる場合と同様に、少なくとも標準簡易ボイラの缶体と上、下ヘッダおよび水管配列を共通化する。しかしながら、実施に応じて、前記簡易ボイラの缶体は、標準簡易ボイラの缶体とその構成を全て共通化することができる。
【００２２】
さらに、前記の実施の形態においては、排熱ボイラを蒸気ボイラとしているが、小型温水ボイラまたは簡易温水ボイラとすることができる。
【００２３】
前記のように、マイクロガスタービンと組み合わせる排熱ボイラを前記マイクロガスタービンからの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼させる追い焚きバーナを有する小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラとし、この小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体を前記標準小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラと共通化するか、これと多くの構成を共通化している。その結果、イニシャルコストおよびメンテナンスコストの低い，すなわちトータルコストの低い排ガスボイラを用いることになる。よって、トータルコストの低い前記マイクロガスタービンと組み合わせているので、トータルコストの低い熱電併給システムを提供できる。
【００２４】
また、追い焚きバーナを有する小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラを用いているので、蒸気発生量を容易に増大させることができると共に、排ガスボイラのボイラ効率を向上できるので、マイクロガスタービンと組み合わせたシステムの総合効率を８０％以上とすることができる。
【００２５】
【実施例】
以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明を実施した熱電併給システムの一実施例の概略構成図であり、図２は、同熱電併給システムの小型貫流ボイラの要部の縦断面の説明図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面の説明図であり、図４は、前記小型貫流ボイラの他の要部の縦断面の説明図であり、図５は、追い焚き燃焼量を変化させた場合の総合効率の変化を示す図である。なお、図４は、図２および図３と縮尺率を異ならせている。
【００２６】
前記一実施例の熱電併給システムは、図１に示すように、マイクロガスタービン１（以下、単に「タービン」という。）と、小型貫流ボイラ（以下、単に「ボイラ」という。）２と、給水予熱器（エコノマイザ）３とから構成される。前記タービン１と前記ボイラ２とは、前記タービン１からの高温排ガスを前記ボイラ２へ導く第一排ガス通路４にて接続され、前記ボイラ２と前記給水予熱器３とは、前記ボイラ２からの排ガスを前記給水予熱器３へ導く第二排ガス通路５にて接続されている。前記ボイラ２には、ガス燃料供給路６，生成された蒸気を蒸気使用設備（図示しない）へ供給する蒸気供給路７をそれぞれ接続し、前記給水予熱器３には、排ガスを煙突（図示しない）へ導く第三排ガス通路８を接続している。
【００２７】
前記タービン１は、前記発明の実施の形態にて説明のように周知構成のもので、つぎの性能を有している。燃料が１３Ａガスであり、発電出力が７６ｋＷであり、発電効率が２６％であり、燃料消費量が２４．４Ｎｍ３／ｈであり、インプットが２８２．６ｋＷ＝２４３，０００ｋｃａｌ／ｈである。そして、前記タービン１の出口排ガス条件は、つぎの通りである。湿り排ガス流量が２．３０３Ｎｍ３／ｈであり、排ガス温度が２７８℃であり、排ガス組成がＯ２：１７．２％（ｗｅｔ）である。
【００２８】
前記ボイラ２は、前記タービン１からの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼する追い焚き機能を有し、後述のように蒸気ボイラとして量産設計される標準ボイラの缶体と殆ど構造を共通化している。そして、前記ボイラ２は、図２〜図４に示すように、缶体９とこの缶体９上に設けられるバーナユニット１０とを備えている。前記ボイラ２は、前記タービン１からの排ガス流量および排ガス温度と蒸気使用設備が要求する蒸気圧力および使用量に基づいて設計されている。すなわち、この実施例では、前記ボイラ２は、蒸発量２ｔ／ｈの前記標準ボイラの缶体と共通化した缶体９としている。
【００２９】
前記缶体９は、労働安全衛生法施行令第１条第４号のニに規定される小型貫流ボイラであり、所謂ωフローと称される缶体構造をなしている。これを具体的に説明すると、前記缶体９は、環状の上、下ヘッダ１１，１２と、この上、下ヘッダ１１，１２間に連通接続される多数の垂直の水管１３，１３，…とから構成される。前記各水管１３を互いに間隔を存して環状に配置し、さらに第一フィン状部材１４，１４，…により連結して内側環状水管壁１５を構成し、同じく前記各水管１３を互いに間隔を存して環状に配置し、さらに第二フィン状部材１６，１６，…により連結して外側環状水管壁１７を構成している。
【００３０】
前記内側環状水管壁１５は、その内側を燃焼室１８となし、一部に燃焼ガスが流出する燃焼ガス出口１９を形成している。前記内側環状水管壁１５と前記外側環状水管壁１７との間には、環状の第一燃焼ガス通路２０を形成している。そして、前記内側環状水管壁１５および前記外側環状水管壁１７の外側に環状のカバー体２１を配置し、このカバー体２１と内側環状水管壁１５との間に一端が前記第一燃焼ガス通路２０に，他端が排ガス出口２２にそれぞれつながる第二燃焼ガス通路２３を形成している。この第二燃焼ガス通路２３内には全周フィン２４を装着した前記各水管１３を配置している。前記外側環状水管壁１７を構成する前記各水管１３には、上下に横ヒレ２５，２５…を互いに間隔を存して多数装着している。
【００３１】
前記のように構成される缶体９は、蒸気ボイラとして量産設計される標準ボイラの缶体と殆ど構造を共通化することにより、缶体の設計に要するコストおよび製造コストを低減している。
【００３２】
標準ボイラとの共通化について、説明するに、共通化部分は、前記上、下ヘッダ１１，１２と、前記各水管１３の配列である。共通化していない，すなわち熱電併給システムの排熱ボイラとして改良部分は、前記各全周フィン２４および前記横ヒレ２５の配列ピッチである。この配列ピッチを前記標準ボイラの缶体よりも大きくすることで、前記第一燃焼ガス通路２０および第二燃焼ガス通路２３における圧損を低減している。なお、圧損低減の改良の方法としては、前記水管１３の長さを長くする方法もあり、実施に応じてこの方法を採用することができる。この方法を採用する場合は、フィンの配列ピッチを小さくして、熱流束を増加させて、低圧損かつ高効率の缶体とすることができる。
【００３３】
つぎに、前記バーナユニット１０につき図４に従い説明する。前記バーナユニト１０は、前記マイクロガスタービン１からの排ガスを燃焼用空気として燃料を燃焼させる追い焚きバーナ２６とこの追い焚きバーナ２６へ燃焼用空気としての排ガスを導くウインドボックス（風箱）２７とからなる。
【００３４】
前記追い焚きバーナ２６は、燃料ガスが流通するガス管２８と、排ガスを通過させる多数の第一空気孔２９，２９，…を設けたラッパ状のノズル３０とから構成される。
【００３５】
前記ウインドボックス２７は、図４の実線矢示の如く排ガスの流路を形成する３重の第一筒３１，第二筒３２，第三筒３３から構成され、外側の第一筒３１には前記第一排ガス通路４を連結するための接続ダクト３４を備えている。また前記ウインドボックス２７には、その底面に前記内側の第三筒３３を経由することなく、前記缶体９の前記燃焼室１８内へ燃焼排ガスを供給する多数の第二空気孔３５，３５，…を形成している。こうした構成の前記ウインドボックス２７の構成部品は、全てが円形筒状をなしているので、排ガス温度が約３００℃と高温であるにも拘わらず、熱的な変形に強い構造となっている。
【００３６】
そして、前記追い焚きバーナ２６および前記ウインドボックス２７からなる前記バーナユニット１０は、前記標準ボイラと異なる図４に示すような構成のバーナユニットとなっている。具体的には、前記マイクタービン１からの排ガス温度が約３００℃と高いので、ガス流速が早くなり、排ガスの全量を前記ノズル３０へ供給する構造において火炎が安定するまで流速を落とすには、バーナを大きくする必要がある。そこで、この実施例では、排ガスの一部を前記各第二空気孔３５を通してバイパスさせて直接燃焼室１８へ送るように構成している。これにより、前記追い焚きバーナ２６をコパクトにしている。また、前記バイパスにより保炎性が向上すると共に、所謂二段燃焼によりＮＯｘを低減している。
【００３７】
前記構成の第一実施例の動作を説明する。図１〜図４において、前記マイクロガスタービン１と前記ボイラ２を運転すると、前記タービン１からの排ガスが、前記第一排ガス通路４−前記接続ダクト３４を経て前記ウインドボックス２７へ供給される。そして、前記ウインドボックス２７内を通過した排ガスと前記ガス管２８から供給されるガス燃料とは、前記ノズル３０の内側にて混合し、着火手段（図示しない）により着火されて、燃焼を開始する。この燃焼は、前記燃焼室１８内にて行われ、形成される燃焼火炎の輻射により前記内側環状水管壁１５の前記各水管１３が加熱される。燃焼がほぼ完結した後の燃焼ガスは、前記燃焼ガス出口１９から前記第一燃焼ガス通路２０，第二燃焼ガス通路２３を流通し、その流通の間に対流伝熱により前記第一燃焼ガス通路２０，第二燃焼ガス通路２３に面した前記各水管１３を加熱する。
【００３８】
こうした輻射伝熱と対流伝熱とによる前記各水管１３の加熱により、前記各水管１３内の水が加熱され、蒸気化され、この蒸気は前記蒸気供給路７から前記蒸気使用設備へ供給される。
【００３９】
前記追い焚きバーナ２６の燃焼は、蒸気圧力検出手段（図示しない）により、前記缶体９内圧力を所定値に保持し、かつ前水位制御手段（図示しない）記缶体９内の水位を所定範囲に保持するように制御される。すなわち、前記蒸気使用設備の蒸気負荷に応じて、前記追い焚きバーナ２６が燃焼しない、追い焚き無しの排熱回収運転と、追い焚きを加えた排熱回収運転とが行われることになる。追い焚きの条件を変えた場合のシステムの総合効率は、図５のようになる。
【００４０】
前記缶体９の前記排ガス出口２２から流出する排ガスは、前記給水予熱器３において、前記各水管１３への供給される水（給水）を予熱する。
【００４１】
前記一実施例の熱電併給システムによれば、追い焚きを可能としているので、図５に示すようにシステムの総合効率も高い値を確保できる。また、前記燃焼室１８における燃焼は、前記マイクロガスタービン１からの排ガスを用いて行うので、所謂排ガス再循環と同様の低ＮＯｘ効果が得られ、この実施例の実験によれば、排出ＮＯｘ値を４０ｐｐｍ以下とすることができ、低ＮＯｘの熱電併給システムを提供できる。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。図６に示すように、前記マイクロガスタービン１からの排ガス以外に新鮮燃焼用空気を前記追い焚きバーナ２６へ供給する燃焼用空気供給手段３６を実施に応じて前記ボイラ２に設けることができる。前記燃焼用空気供給手段３６は、送風機３７と給気通路３８とから構成される。前記燃焼用空気供給手段３６を設けることにより、前記追い焚きバーナ２６の燃焼量を増大させることができる。また、前記タービン１が停止していても、前記小型貫流ボイラ２を単独で運転して、蒸気を供給することができる。前記燃焼用空気供給手段３６としては、図６に示すような押し込み型の送風機ではなく、前記小型貫流ボイラ１の出口側に設けた誘引送風機（図示省略）とすることも可能である。
【００４３】
また、前記ボイラ２は、図７および図８に示すような所謂全周吹き出しタイプの小型貫流ボイラとすることができる。この小型貫流ボイラの缶体９は、環状の上、下ヘッダ１１，１２と、この上、下ヘッダ１１，１２間に連通接続される多数の垂直の水管１３，１３，…とから構成される。前記各水管１３を互いに間隔を存して環状に配置して環状水管列３９を形成している。
【００４４】
前記環状水管列３９は、その内側を燃焼室１８となし、前記環状水管列３９とカバー体２１との間に排ガス出口２２つながる燃焼ガス通路４０を形成している。前記各水管１３には、縦ヒレ４１を装着している。
【００４５】
また、前記追い焚きバーナ２６は、実施に応じて油バーナとすることができる。
【００４６】
さらに、実施に応じて、前記給水予熱器３を省略したシステムとすることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明によれば、熱電併給システムのトータルコストを安くすると共に、容易に蒸発量を増大させることができ、かつシステムの総合効率を向上させることができる。その結果、熱電併給システムの普及を促進し、もって地球環境の保全に貢献することができるなど、産業的価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明を実施した熱電併給システムの一実施例の概略構成図である。
【図２】図２は、同実施例の小型貫流ボイラの要部の縦断面の説明図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面の説明図である。
【図４】図４は、同実施例の小型貫流ボイラの他の要部の縦断面の説明図である。
【図５】図５は、同実施例の追い焚き燃焼量を変化させた場合の総合効率の変化を示す図である。
【図６】図６は、この発明の他の実施例の概略構成図である。
【図７】図７は、小型貫流ボイラの他の実施例の要部の縦断面の説明図である。
【図８】図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う横断面の説明図である。
【符号の説明】
１ マイクロガスタービン
２ 小型貫流ボイラ
９ 缶体
１１ 上ヘッダ
１２ 下ヘッダ
１３ 水管
２６ 追い焚きバーナ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cogeneration system combining a small capacity cogeneration system such as a micro gas turbine and a waste heat boiler.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a micro gas turbine having an output of less than 300 kW has attracted attention as a cogeneration system for a relatively small store. One of the reasons is that the initial cost of the micro gas turbine is low due to the mass production design of the device. Another reason is that the power generation efficiency is as high as 25 to 28% and, unlike a large gas turbine, a turbine engineer is not required, so that maintenance costs are low and total costs including initial costs are low. It is.
[0003]
A cogeneration system such as the micro gas turbine is used as a cogeneration system in combination with an exhaust gas boiler (for example, see Patent Document 1). In this cogeneration system, as described above, the cogeneration system has been pursued and put into practical use with a low total cost, whereas the exhaust heat boiler has been designed specifically for the cogeneration system. , The initial cost is high, the evaporation amount and efficiency are low for the size, and the maintenance cost is high, so that the total cost is high. These have been one of the factors that hinder the spread of cogeneration systems that should be actively put into practical use for global environmental protection and spread.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-4945 (page 4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to reduce the total cost of the combined heat and power system and to improve the overall efficiency of the system, thereby promoting the spread of the combined heat and power system and thereby contributing to the conservation of the global environment. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and the invention according to claim 1 includes a cogeneration system and a post-cooking burner that burns fuel using exhaust gas from the cogeneration system as combustion air. A small once-through boiler or a simple once-through boiler.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a micro gas turbine, and a small once-through boiler or a simple once-through boiler having a reheating burner for burning fuel using exhaust gas from the micro gas turbine as combustion air. I have.
[0008]
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that the can of the small once-through boiler or the simple once-through boiler is configured such that a number of water tubes are connected between the upper and lower headers, and at least the upper, lower header and the water tube array are arranged. The feature is that it can be shared with the standard small once-through boiler or the standard simple once-through boiler.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a combined heat and power supply system in which a small capacity combined heat and power supply device and a small once-through boiler having a reburning burner that burns fuel using exhaust gas from the combined heat and power supply as combustion air.
[0010]
The cogeneration system is preferably a micro gas turbine. The micro gas turbine includes a turbine that generates power by rotating an impeller with a high-temperature and high-pressure gas flow, a combustor, and a compressor that is connected to a shaft of the turbine and compresses air blown into the combustor to a high pressure. A large amount of air (oxygen) is blown into the combustor by the compressor to burn violently, and the resulting high-temperature gas rotates the impeller to generate power. In this specification, the above-mentioned micro gas turbine refers to a gas turbine which has an output of less than 300 kW and does not require the appointment of a turbine engineer, which is defined in the Electricity Business Act Enforcement Regulations. The cogeneration system may be a small-capacity power generation gas engine that discharges high-temperature exhaust gas depending on the implementation.
[0011]
The small once-through boiler generates steam by effectively utilizing the heat (exhaust heat) of the exhaust gas from the cogeneration unit, and supplies the generated steam to a steam-using facility.
[0012]
The small once-through boiler is a steam boiler having a pressure of 10 kg / cm 2 G or less and a heat transfer surface area of 10 m 2 or less, as stipulated in Article 4, Item 4 of the Industrial Safety and Health Act Enforcement Order. When performing operation and maintenance, the operator does not need a boiler engineer's qualification and needs to take special education on small boiler handling work. Therefore, the exhaust heat boiler has a low maintenance cost. It is well known that standard once-through boilers designed for mass production have been working to improve boiler efficiency and reduce the size and cost of equipment in order to compete with large furnace tube boilers. It is as follows.
[0013]
In addition, the small once-through boiler, in terms of configuration, a can body with a number of water pipes connected between the upper and lower headers, and combusts fuel such as gaseous fuel using exhaust gas from the cogeneration system as combustion air. And a reburning burner for heating the water pipe.
[0014]
The can body has at least an upper and lower header and a water pipe arrangement common to the can of the standard small once-through boiler. This greatly reduces the design and manufacturing costs of the small once-through boiler according to the embodiment of the present invention, as compared with a case where a waste heat boiler dedicated to the cogeneration system is newly designed. The expression "common arrangement of the water tubes" includes a case where the length of the water tubes is changed without changing the arrangement pitch of the water tubes. Further, depending on the embodiment, all of the configurations of the can of the small once-through boiler of this embodiment can be shared with the can of the standard small once-through boiler.
[0015]
Incidentally, the applicant manufactures and sells the standard small once-through boilers having an evaporation amount of 0.5 t / h, 0.75 t / h, 1 t / h, 1.5 t / h, and 2 t / h. Therefore, the small once-through boiler according to the present invention is provided with the standard small once-through boiler according to the oxygen concentration and the amount of exhaust gas from the exhaust gas from the cogeneration unit and the amount of steam (required steam amount) used by the steam use facility. Selected. If the amount of evaporation is insufficient with one small once-through boiler, a plurality of small once-through boilers are connected to the cogeneration system and used. In the case of connecting a plurality of units, the small once-through boiler and a simple once-through boiler described below can be combined and connected depending on the implementation.
[0016]
Further, as the standard small once-through boiler, a so-called ω flow type or a full-circumferential type boiler is used. In these boilers, improvement in boiler efficiency has been pursued as described above, and the standard small once-through boiler having a so-called ω flow has achieved a boiler efficiency of 90% or more. The same boiler efficiency is also achieved in a so-called all-outlet type small once-through boiler.
[0017]
By the way, in a cogeneration system using a micro gas turbine, when the allowable pressure loss is not high (100 to 200 mmAq) and the pressure loss of the exhaust gas boiler exceeds the allowable pressure loss, the output of the micro gas turbine decreases, and the Because of the load, the efficiency is reduced and the bearing may be damaged. Therefore, reduction of the pressure loss of the can of the small once-through boiler according to the embodiment of the present invention is important for the system configuration.
[0018]
In this embodiment, when connecting the one small once-through boiler to the one micro gas turbine, the length of the water pipe is made longer than that of the standard small once-through boiler to reduce the pressure loss, while the water pipe is reduced. By setting the arrangement pitch of the fins to be smaller than that of the standard small once-through boiler and increasing the heat flux, the flow velocity of the combustion gas in the fin portion is set to about 20 m / s. Preferably, the small once-through boiler is configured as a boiler suitable for a cogeneration system. Further, the standard small once-through boiler of the all-circumferential blowing type having a small pressure loss is suitable as the small once-through boiler of the present invention.
[0019]
The reburning burner uses combustion air as exhaust gas from the cogeneration system. However, since the oxygen concentration in the exhaust gas, the exhaust gas temperature, and the exhaust gas amount are different from the combustion air of the standard small once-through boiler, It is preferable that the burner has a combined structure and has a structure different from that of the burner used in the standard small once-through boiler.
[0020]
Specifically, when the cogeneration unit is a micro gas turbine, the exhaust gas temperature is about 300 ° C., which is considerably higher than the temperature (atmospheric temperature) of the combustion air of a standard small once-through boiler. As a result, the gas flow velocity increases, and the combustion velocity increases accordingly. Therefore, it is desirable to configure the reburning burner so that good combustion can be performed even under such conditions. The change in the configuration of the reburning burner includes not only the change of the reburning burner itself, but also the change of a wind box for guiding exhaust gas to the reburning burner. Of course, if the combustibility is not a problem, the burner of the standard small once-through boiler can be used as it is as the reburning burner.
[0021]
In the above embodiment, the small once-through boiler is used as the exhaust gas boiler. However, when the amount of exhaust gas from the cogeneration unit is small, a simple boiler can be used instead of the small once-through boiler. The simple boiler is a steam boiler having a pressure of 10 kg / cm 2 G or less, a heat transfer surface area of 5 m 2 or less, and a small once-through boiler. Similarly, the water volume is relatively small, and no qualification of a boiler engineer is required for operation and maintenance, and no special training on small boiler handling is required. Also in the case of using the simple boiler, at least the can, the upper header, the lower header, and the water tube arrangement of the standard simple boiler are shared in the same manner as the case of using the small once-through boiler. However, depending on the embodiment, the can of the simple boiler can have the same configuration as the can of the standard simple boiler.
[0022]
Further, in the above-described embodiment, the exhaust heat boiler is a steam boiler, but may be a small-sized hot water boiler or a simple hot water boiler.
[0023]
As described above, the exhaust heat boiler combined with the micro gas turbine is a small once-through boiler or a simple once-through boiler having a reburning burner that burns fuel using exhaust gas from the micro gas turbine as combustion air, and the small once-through boiler or the simple once-through boiler. The can body of the once-through boiler is shared with the standard small once-through boiler or the simple once-through boiler, or many configurations are shared with this. As a result, an exhaust gas boiler with low initial cost and low maintenance cost, that is, low total cost, is used. Therefore, the combined use with the micro gas turbine having low total cost makes it possible to provide a cogeneration system with low total cost.
[0024]
In addition, since a small once-through boiler having a reburning burner or a simple once-through boiler is used, the amount of steam generated can be easily increased, and the boiler efficiency of the exhaust gas boiler can be improved. Can be 80% or more.
[0025]
【Example】
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a cogeneration system embodying the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of a longitudinal section of a main part of a small once-through boiler of the cogeneration system, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view of a cross section taken along line III-III of FIG. 2, FIG. 4 is an explanatory view of a vertical section of another main part of the small once-through boiler, and FIG. It is a figure which shows the change of the total efficiency at the time of having made it. 4 is different from FIGS. 2 and 3 in the scale.
[0026]
As shown in FIG. 1, the cogeneration system of the embodiment has a micro gas turbine 1 (hereinafter simply referred to as “turbine”), a small once-through boiler (hereinafter simply referred to as “boiler”) 2, and water supply. And a preheater (economizer) 3. The turbine 1 and the boiler 2 are connected by a first exhaust gas passage 4 that guides high-temperature exhaust gas from the turbine 1 to the boiler 2, and the boiler 2 and the feedwater preheater 3 The exhaust gas is connected through a second exhaust gas passage 5 that guides the exhaust gas to the feedwater preheater 3. The boiler 2 is connected with a gas fuel supply path 6 and a steam supply path 7 for supplying the generated steam to a steam-using facility (not shown), and the feed water preheater 3 is provided with an exhaust gas stack (not shown). 3) is connected.
[0027]
The turbine 1 has a well-known configuration as described in the embodiment of the present invention, and has the following performance. The fuel is 13 A gas, the power generation output is 76 kW, the power generation efficiency is 26%, the fuel consumption is 24.4 Nm 3 / h, and the input is 282.6 kW = 243,000 kcal / h. The exhaust gas conditions at the outlet of the turbine 1 are as follows. The wet exhaust gas flow rate is 2.303 Nm 3 / h, the exhaust gas temperature is 278 ° C., and the exhaust gas composition is O 2 : 17.2% (wet).
[0028]
The boiler 2 has a reheating function of burning fuel using exhaust gas from the turbine 1 as combustion air, and has almost the same structure as a can of a standard boiler mass-designed as a steam boiler as described later. I have. As shown in FIGS. 2 to 4, the boiler 2 includes a can 9 and a burner unit 10 provided on the can 9. The boiler 2 is designed based on the flow rate and temperature of the exhaust gas from the turbine 1 and the steam pressure and usage required by the steam use equipment. That is, in this embodiment, the boiler 2 is a can 9 common to the can of the standard boiler having an evaporation amount of 2 t / h.
[0029]
The can 9 is a small once-through boiler defined in Article 1, Item 4, item 4 of the Ordinance for Enforcement of the Industrial Safety and Health Act, and has a so-called omega flow can structure. More specifically, the can body 9 includes an annular upper and lower headers 11 and 12 and a number of vertical water pipes 13, 13,... Connected between the upper and lower headers 11 and 12. Consists of The water pipes 13 are annularly arranged at intervals from each other, and further connected by first fin-shaped members 14, 14,... To form an inner annular water pipe wall 15. Similarly, the water pipes 13 are spaced from each other. , And are connected by second fin-shaped members 16, 16,... To form an outer annular water pipe wall 17.
[0030]
The inner annular water pipe wall 15 forms a combustion chamber 18 on the inner side, and partially forms a combustion gas outlet 19 from which combustion gas flows out. An annular first combustion gas passage 20 is formed between the inner annular water pipe wall 15 and the outer annular water pipe wall 17. An annular cover body 21 is disposed outside the inner annular water pipe wall 15 and the outer annular water pipe wall 17, and one end between the cover body 21 and the inner annular water pipe wall 15 is the first combustion chamber. A second combustion gas passage 23 having the other end connected to the exhaust gas outlet 22 is formed in the gas passage 20. In the second combustion gas passage 23, each of the water pipes 13 provided with the fins 24 is arranged. Each of the water tubes 13 constituting the outer annular water tube wall 17 is provided with a large number of horizontal fins 25 at upper and lower intervals.
[0031]
The can 9 configured as described above has almost the same structure as the can of a standard boiler designed to be mass-produced as a steam boiler, thereby reducing the cost required for designing the can and the manufacturing cost.
[0032]
To explain the common use with the standard boiler, the common portion is the arrangement of the upper and lower headers 11 and 12 and the water pipes 13. What is not common, that is, an improved part of the combined heat and power supply system as the exhaust heat boiler is the arrangement pitch of the fins 24 and the horizontal fins 25. By making this arrangement pitch larger than the can of the standard boiler, the pressure loss in the first combustion gas passage 20 and the second combustion gas passage 23 is reduced. As a method of improving the pressure loss, there is a method of increasing the length of the water pipe 13, and this method can be adopted depending on the implementation. When this method is employed, the arrangement pitch of the fins is reduced, the heat flux is increased, and a can with low pressure loss and high efficiency can be obtained.
[0033]
Next, the burner unit 10 will be described with reference to FIG. The burner unit 10 includes a reburning burner 26 that burns fuel using the exhaust gas from the micro gas turbine 1 as combustion air and a wind box (wind box) 27 that guides the exhaust gas as combustion air to the reburning burner 26. Become.
[0034]
The reheating burner 26 is composed of a gas pipe 28 through which fuel gas flows, and a trumpet-shaped nozzle 30 provided with a number of first air holes 29, 29,.
[0035]
The wind box 27 is composed of a triple first cylinder 31, a second cylinder 32, and a third cylinder 33 forming a flow path of exhaust gas as shown by a solid line arrow in FIG. A connection duct 34 for connecting the first exhaust gas passage 4 is provided. Also, the wind box 27 has a number of second air holes 35, 35, 35, 35, 35, which supply combustion exhaust gas into the combustion chamber 18 of the can body 9 without passing through the inner third cylinder 33 on the bottom surface thereof. ... is formed. Since the components of the wind box 27 having such a configuration are all in the form of a circular cylinder, they have a structure resistant to thermal deformation despite the high exhaust gas temperature of about 300 ° C.
[0036]
The burner unit 10 including the reburning burner 26 and the wind box 27 is a burner unit having a configuration different from the standard boiler as shown in FIG. Specifically, since the temperature of the exhaust gas from the microphone turbine 1 is as high as about 300 ° C., the gas flow velocity is increased, and in the structure for supplying the entire amount of the exhaust gas to the nozzle 30, the flow velocity is decreased until the flame is stabilized. Burners need to be larger. Therefore, in this embodiment, a part of the exhaust gas is configured to be sent directly to the combustion chamber 18 by bypassing through the second air holes 35. This makes the reburning burner 26 compact. In addition, flame holding properties are improved by the bypass, and NOx is reduced by so-called two-stage combustion.
[0037]
The operation of the first embodiment having the above configuration will be described. 1 to 4, when the micro gas turbine 1 and the boiler 2 are operated, exhaust gas from the turbine 1 is supplied to the wind box 27 via the first exhaust gas passage 4-the connection duct 34. The exhaust gas passing through the wind box 27 and the gas fuel supplied from the gas pipe 28 are mixed inside the nozzle 30 and ignited by ignition means (not shown) to start combustion. . This combustion is performed in the combustion chamber 18, and the water pipes 13 of the inner annular water pipe wall 15 are heated by radiation of the formed combustion flame. After the combustion is substantially completed, the combustion gas flows from the combustion gas outlet 19 through the first combustion gas passage 20 and the second combustion gas passage 23, and during the circulation, the convection heat is transferred to the first combustion gas passage. 20, each water pipe 13 facing the second combustion gas passage 23 is heated.
[0038]
The heating of the water pipes 13 by the radiant heat transfer and the convective heat transfer heats the water in the water pipes 13 and evaporates the water, and the steam is supplied from the steam supply path 7 to the steam use facility. .
[0039]
In the combustion of the reheating burner 26, the pressure in the can 9 is maintained at a predetermined value by a steam pressure detecting means (not shown) and the water level in the can 9 is controlled by a pre-water level control means (not shown). It is controlled to keep it within the range. That is, according to the steam load of the steam-using equipment, an exhaust heat recovery operation without reheating and an exhaust heat recovery operation with additional heating, in which the reheating burner 26 does not burn, are performed. The overall efficiency of the system when the conditions for reheating are changed is as shown in FIG.
[0040]
Exhaust gas flowing out from the exhaust gas outlet 22 of the can 9 preheats water (water supply) to the water pipes 13 in the water supply preheater 3.
[0041]
According to the combined heat and power system of the embodiment, since reheating can be performed, a high value of the overall efficiency of the system can be secured as shown in FIG. Further, since the combustion in the combustion chamber 18 is performed using the exhaust gas from the micro gas turbine 1, the same low NOx effect as that of the so-called exhaust gas recirculation can be obtained. To 40 ppm or less, and a low NOx cogeneration system can be provided.
[0042]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. As shown in FIG. 6, a combustion air supply means 36 for supplying fresh combustion air to the reburning burner 26 in addition to the exhaust gas from the micro gas turbine 1 can be provided in the boiler 2 according to the embodiment. The combustion air supply means 36 includes a blower 37 and an air supply passage 38. By providing the combustion air supply means 36, the amount of combustion of the reburning burner 26 can be increased. Further, even when the turbine 1 is stopped, the small once-through boiler 2 can be operated alone to supply steam. The combustion air supply means 36 may be an induction blower (not shown) provided on the outlet side of the small once-through boiler 1 instead of a push-type blower as shown in FIG.
[0043]
Further, the boiler 2 can be a so-called all-outlet type small once-through boiler as shown in FIGS. 7 and 8. The can body 9 of the small once-through boiler is composed of annular upper and lower headers 11, 12 and a number of vertical water pipes 13, 13, ... connected between the upper and lower headers 11, 12. . The water pipes 13 are annularly arranged at intervals from each other to form an annular water pipe row 39.
[0044]
The annular water pipe row 39 forms a combustion chamber 18 on the inner side, and forms a combustion gas passage 40 connected to the exhaust gas outlet 22 between the annular water pipe row 39 and the cover body 21. Each water pipe 13 is provided with a vertical fin 41.
[0045]
Further, the reburning burner 26 may be an oil burner depending on the implementation.
[0046]
Further, a system in which the feedwater preheater 3 is omitted may be adopted depending on the implementation.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, the total cost of the cogeneration system can be reduced, the amount of evaporation can be easily increased, and the overall efficiency of the system can be improved. As a result, industrial value is enormous, such as promoting the spread of cogeneration systems and contributing to the preservation of the global environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a cogeneration system implementing the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view of a longitudinal section of a main part of the small once-through boiler of the embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a cross section taken along line III-III in FIG. 2;
FIG. 4 is an explanatory view of a longitudinal section of another main part of the small once-through boiler of the embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a change in overall efficiency when the reburning combustion amount of the embodiment is changed.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view of a longitudinal section of a main part of another embodiment of the small once-through boiler.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a cross section taken along line VIII-VIII in FIG. 7;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro gas turbine 2 Small once-through boiler 9 Can 11 Upper header 12 Lower header 13 Water pipe 26 Reheating burner