JP7801355B2

JP7801355B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP7801355B2
Application number: JP2023547889A
Authority: JP
Inventors: 原栄崔; 俊郎藤森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2026-01-16
Anticipated expiration: 2043-03-02
Also published as: CN118946712A; KR20240158994A; JPWO2023248542A1; WO2023248542A1

Description

本開示は、発電システムに関する。本出願は２０２２年６月２４日に提出された日本特許出願第２０２２－１０１７５２号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

アンモニアは、ＣＯ_２を放出しない燃料として知られている。例えば、特許文献１は、アンモニアを燃料として使用する発電システムを開示する。このシステムでは、アンモニアは液体状態で貯蔵される。液体アンモニアは気化され、ボイラにおいて気体状態で燃焼される。ボイラからの水蒸気は、タービンおよび発電機を回転させる。水蒸気は、復水器において水に凝縮される。このシステムでは、復水器において水蒸気を凝縮するために、海水が使用される。復水器を通過した後に、海水は、気化器を通り、アンモニアの気化に使用される。

国際公開第２０２０／１８４６１２号

上記のようなシステムでは、発電効率をさらに向上することが望まれる。

本開示は、発電効率を向上することができる発電システムを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る発電システムは、アンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、ボイラと循環的に接続され、ボイラからの蒸気によって駆動されるタービンと、ボイラおよびタービンと循環的に接続される復水器であって、タービンから排出される蒸気を冷却し、凝縮された水をボイラに供給する、復水器と、アンモニア供給源およびボイラと接続される単一の気化器であって、アンモニア供給源からの液体アンモニアを加熱し、加熱されたアンモニアをボイラに供給する、単一の気化器と、単一の気化器と復水器とを熱的に接続する少なくとも１つのラインであって、単一の気化器を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器に伝える、少なくとも１つのラインと、を備え、少なくとも１つのラインは、復水器に接続される第１ラインであって、当該第１ラインを第１熱媒体が流れる、第１ラインと、単一の気化器に循環的に接続される第２ラインであって、当該第２ラインを第２熱媒体が流れる、第２ラインと、第１ラインと第２ラインとの間に配置される熱交換器であって、単一の気化器において液体アンモニアによって冷却されかつ第２ラインを流れる第２熱媒体によって、第１ラインを流れる前記第１熱媒体を冷却する、熱交換器と、を含み、第２熱媒体は、第１熱媒体の凝固点よりも低い凝固点を有する流体である。
本開示の他の態様に係る発電システムは、アンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、ボイラと循環的に接続され、ボイラからの蒸気によって駆動されるタービンと、ボイラおよびタービンと循環的に接続される復水器であって、タービンから排出される蒸気を冷却し、凝縮された水をボイラに供給する、復水器と、アンモニア供給源およびボイラと接続される単一の気化器であって、アンモニア供給源からの液体アンモニアを加熱し、加熱されたアンモニアをボイラに供給する、単一の気化器と、単一の気化器と復水器とを熱的に接続する少なくとも１つのラインであって、単一の気化器を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器に伝える、少なくとも１つのラインと、を備え、少なくとも１つのラインは、単一の気化器と復水器とを直接的に接続する第１ラインであって、当該第１ラインを第１熱媒体が流れ、単一の気化器において液体アンモニアによって冷却される第１熱媒体を、復水器に送る、第１ラインと、単一の気化器と復水器とを循環的に接続する第２ラインであって、当該第２ラインを第２熱媒体が流れ、単一の気化器において液体アンモニアによって冷却される第２熱媒体を、復水器に送る、第２ラインと、を含む。

本開示によれば、発電効率を向上することができる。

図１は、第１実施形態に係る発電システムを示す概略図である。図２は、第２実施形態に係る発電システムを示す概略図である。図３は、第３実施形態に係る発電システムを示す概略図である。図４は、第４実施形態に係る発電システムを示す概略図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、第１実施形態に係る発電システム１０を示す概略図である。以下、発電システム１０は、単に「システム」とも称され得る。図１において、実線の矢印は液体の流れを示し、破線の矢印は気体の流れを示す。システム１０は、例えば、タンク（アンモニア供給源）１と、気化器２と、ボイラ３と、タービン発電機４と、復水器５と、を備える。システム１０の構成要素はこれらに限定されず、システム１０は、その他の構成要素をさらに備えてもよい。

タンク１は、アンモニアを貯蔵する。具体的には、タンク１は、液体アンモニアを貯蔵する。タンク１は、流路Ｌ１によって気化器２に接続される。タンク１内の液体アンモニアは、流路Ｌ１によって気化器２に供給される。流路Ｌ１には、液体アンモニアを送るための第１ポンプＰ１が設けられる。

気化器２は、詳しくは後述の流路Ｌ４を流れる熱媒体によって、タンク１からの液体アンモニアを加熱する。気化器２は、熱媒体と液体アンモニアとの間で熱交換する。加熱された液体アンモニアは、気体アンモニアへと気化する。気化器２は、流路Ｌ２によってボイラ３に接続される。気化したアンモニアは、流路Ｌ２によってボイラ３に供給される。

ボイラ３は、気化器２からの気体アンモニアを含む燃料を燃焼する。例えば、ボイラ３は、アンモニアと、例えば微粉炭等の他の燃料と、を含む混合燃料を燃焼してもよい。また、例えば、ボイラ３は、アンモニアのみを燃焼してもよい。また、例えば、ボイラ３は、必要に応じて、アンモニア以外の他の燃料のみを燃焼してもよい。ボイラ３は、燃焼による熱によって水を加熱し、水蒸気を生成する。

タービン発電機４は、タービン４１と、発電機４２と、を含む。

タービン４１は、循環流路Ｌ３によって、ボイラ３に循環的に接続される。ボイラ３で生成された水蒸気は、循環流路Ｌ３によってタービン４１に供給される。タービン４１は、ボイラ３からの水蒸気によって回転させられる。発電機４２は、タービン４１に連結される。発電機４２は、タービン４１と共に回転し発電する。

復水器５は、循環流路Ｌ３によってタービン４１に循環的に接続される。また、復水器５は、流路Ｌ４によって、気化器２に接続される。復水器５は、流路Ｌ４を流れる熱媒体によって、タービン４１から排出される蒸気を冷却する。蒸気は、水へと凝縮する。凝縮した水は、ボイラ３へと再び供給され、水蒸気へと加熱される。循環流路Ｌ３には、水を循環させるための第２ポンプＰ２が設けられる。

流路（第１ライン）Ｌ４は、気化器２と復水器５とを直接的に接続する。流路Ｌ４には、熱媒体（第１熱媒体）が流れる。流路Ｌ４は、熱媒体が気化器２から復水器５へと流れるように構成される。流路Ｌ４には、熱媒体を気化器２から復水器５に向かう方向に送る第３ポンプＰ３が設けられる。

例えば、第３ポンプＰ３は、熱媒体として、海から海水を汲み上げてもよい。海水が熱媒体として使用される場合、海水は、復水器５を通過した後に、海に放流されてもよい。代替的にまたは追加的に、第３ポンプＰ３は、熱媒体として、河川から水を汲み上げてもよい。河川の水が熱媒体として使用される場合には、水は、復水器５を通過した後に、河川に放流されてもよい。代替的にまたは追加的に、例えば、システム１０が海および河川から遠い場所に建設される場合には、第３ポンプＰ３は、熱媒体として、冷却塔から水を受けてもよい。冷却塔からの水が熱媒体として使用される場合には、水は循環されて再利用されてもよい。熱媒体はこれらに限定されず、その他の流体が使用されてもよい。

本実施形態では、流路Ｌ４は、気化器２の上流の位置で、流路Ｌ４１および流路Ｌ４２に分岐する。なお、分岐点には、流路Ｌ４１および流路Ｌ４２を流れる蒸気の流量を調整する不図示のバルブが設けられてもよい。流路Ｌ４１および流路Ｌ４２は、気化器２の下流の位置で互いに合流する。気化器２は、流路Ｌ４１に設けられる。流路Ｌ４２は、気化器２を迂回する。他の実施形態では、流路Ｌ４２は設けられなくてもよい。

続いて、システム１０の動作について説明する。

タンク１内の液体アンモニアは、流路Ｌ１によって気化器２に供給される。気化器２は、流路Ｌ４を流れる熱媒体によって、液体アンモニアを加熱する。加熱された液体アンモニアは、気体アンモニアへと気化する。気化したアンモニアは、流路Ｌ２によってボイラ３に供給される。

ボイラ３は、気化器２からの気体アンモニアを含む燃料を燃焼する。ボイラ３は、燃焼による熱によって水を加熱し、水蒸気を生成する。ボイラ３で生成された水蒸気は、循環流路Ｌ３によってタービン４１に供給される。タービン４１は、ボイラ３からの水蒸気によって回転させられる。発電機４２は、タービン４１と共に回転し発電する。

復水器５は、流路Ｌ４を流れる熱媒体によって、タービン４１から排出される蒸気を冷却する。蒸気は、水へと凝縮する。凝縮した水は、ボイラ３へと再び供給され、水蒸気へと加熱される。

流路Ｌ４では、熱媒体が、気化器２から復水器５に向かう方向に流れる。したがって、気化器２において液体アンモニアによって冷却された熱媒体が、復水器５に供給される。すなわち、流路Ｌ４は、気化器２を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器５に伝える。このため、例えば海水等の熱媒体が直接的に復水器５に供給される場合に比して、復水器５を流れる蒸気がより冷却され、復水器５内の圧力がより低下する。このような構成によれば、タービン４１からより多くの蒸気を復水器５に引き込むことができ、タービン４１の運転条件を拡張することができる。したがって、システム１０の発電効率が向上する。

以上のようなシステム１０は、アンモニアを含む燃料を燃焼するボイラ３と、ボイラ３と循環的に接続され、ボイラ３からの蒸気によって駆動されるタービン４１と、ボイラ３およびタービン４１と循環的に接続される復水器５であって、タービン４１から排出される蒸気を冷却し、凝縮された水をボイラ３に供給する、復水器５と、タンク１およびボイラ３と接続される気化器２であって、タンク１からの液体アンモニアを加熱し、加熱されたアンモニアをボイラ３に供給する、気化器２と、気化器２と復水器５とを熱的に接続する流路Ｌ４であって、気化器２を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器５に伝える、流路Ｌ４と、を備える。このような構成によれば、気化器２を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギが、復水器５における水の凝縮に使用される。したがって、例えば海水等の熱媒体が直接的に復水器５に供給される場合に比して、復水器５を流れる蒸気がより冷却され、復水器５内の圧力がより低下する。よって、タービン４１からより多くの蒸気を復水器５に引き込むことができ、タービン４１の運転条件を拡張することができる。その結果、システム１０の発電効率を向上することができる。

また、システム１０では、気化器２と復水器５とを熱的に接続するラインは、気化器２と復水器５とを直接的に接続する流路Ｌ４であって、当該流路Ｌ４を熱媒体が流れ、気化器２において液体アンモニアによって冷却される熱媒体を、復水器５に送る、流路Ｌ４を含む。このような構成によれば、例えば、熱媒体の流量を調整することによって、気化器２を通る液体アンモニアの流量によらずに、蒸気の冷却を調整して蒸気の不十分なまたは過度な冷却を避けることができる。したがって、タービン４１の運転条件を細かく調整することができる。

続いて、他の実施形態について説明する。

図２は、第２実施形態に係る発電システム１０Ａを示す概略図である。システム１０Ａは、気化器２と復水器５との間に循環流路（第２ライン）Ｌ５および熱交換器６が追加される点で、第１実施形態のシステム１０と異なる。その他の点については、システム１０Ａは、システム１０と同じであってもよい。

本実施形態では、流路Ｌ４は、気化器２に代えて、熱交換器６を通る。循環流路Ｌ５は、気化器２と熱交換器６とを循環的に接続する。熱媒体（第２熱媒体）が、循環流路Ｌ５を流れる。循環流路Ｌ５には、熱媒体を循環させるための第４のポンプＰ４が設けられる。

例えば、第２熱媒体は、塩化ナトリウムを含有するブラインであってもよい。第２熱媒体はこれに限定されず、その他の流体が使用されてもよい。例えば、第２熱媒体は、第１熱媒体の凝固点よりも低い凝固点を有する流体であってもよい。

熱交換器６は、流路Ｌ４と循環流路Ｌ５との間に配置される。熱交換器６は、流路Ｌ４を流れる第１熱媒体と、循環流路Ｌ５を流れる第２熱媒体と、の間で熱交換する。

続いて、システム１０Ａの動作を、第１実施形態のシステム１０と異なる点について説明する。

循環流路Ｌ５では、気化器２と熱交換器６との間を第２熱媒体が循環する。したがって、気化器２において液体アンモニアによって冷却された第２熱媒体が、熱交換器６に供給される。熱交換器６は、循環流路Ｌ５を流れる第２熱媒体によって、流路Ｌ４を流れる第１熱媒体を冷却する。

流路Ｌ４では、第１熱媒体が、熱交換器６から復水器５に向かう方向に流れる。したがって、熱交換器６において第２熱媒体によって冷却された第１熱媒体が、復水器５に供給される。すなわち、循環流路Ｌ５、熱交換器６および流路Ｌ４は、気化器２を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器５に伝える。このため、例えば海水等の熱媒体が直接的に復水器５に供給される場合に比して、復水器５を流れる蒸気がより冷却され、復水器５内の圧力がより低下する。

以上のようなシステム１０Ａによれば、第１実施形態のシステム１０と同様に、タービン４１からより多くの蒸気を復水器５に引き込むことができ、タービン４１の運転条件を拡張することができる。したがって、システム１０Ａの発電効率が向上する。

また、システム１０Ａでは、気化器２と復水器５とを熱的に接続するラインは、復水器５に接続される流路Ｌ４であって、当該流路Ｌ４を第１熱媒体が流れる、流路Ｌ４と、気化器２に循環的に接続される循環流路Ｌ５であって、当該循環流路Ｌ５を第２熱媒体が流れる、循環流路Ｌ５と、流路Ｌ４と循環流路Ｌ５との間に配置される熱交換器６であって、気化器２において液体アンモニアによって冷却されかつ循環流路Ｌ５を流れる第２熱媒体によって、流路Ｌ４を流れる第１熱媒体を冷却する、熱交換器６と、を含む。このような構成によれば、例えば、第１熱媒体の流量の調整に加えて、第２熱媒体の流量を調整することによって、蒸気の冷却を調整することができる。したがって、タービン４１の運転状況をより細かく調整することができる。

続いて、さらに他の実施形態について説明する。

図３は、第３実施形態に係る発電システム１０Ｂを示す概略図である。システム１０Ｂは、流路Ｌ４および熱交換器６が設けられない点で、第２実施形態のシステム１０Ａと異なる。その他の点については、システム１０Ｂは、システム１０Ａと同じであってもよい。

本実施形態では、循環流路Ｌ５は、熱交換器６に代えて、復水器５を通る。循環流路Ｌ５は、気化器２と復水器５とを循環的に接続する。

続いて、システム１０Ｂの動作を、第２実施形態のシステム１０Ａと異なる点について説明する。

循環流路Ｌ５では、気化器２と復水器５との間を第２熱媒体が循環する。したがって、気化器２において液体アンモニアによって冷却された第２熱媒体が、復水器５に供給される。復水器５は、循環流路Ｌ５を流れる第２熱媒体によって、復水器５を流れる蒸気を冷却する。すなわち、循環流路Ｌ５は、気化器２を流れる液体アンモニアの冷熱エネルギを、復水器５に伝える。このため、例えば海水等の熱媒体が直接的に復水器５に供給される場合に比して、復水器５を流れる蒸気がより冷却され、復水器５内の圧力がより低下する。

以上のようなシステム１０Ｂによれば、上記のシステム１０，１０Ａと同様に、タービン４１からより多くの蒸気を復水器５に引き込むことができ、タービン４１の運転条件を拡張することができる。したがって、システム１０Ｂの発電効率が向上する。

また、システム１０Ｂでは、気化器２と復水器５とを熱的に接続するラインは、気化器２と復水器５とを循環的に接続する循環流路Ｌ５であって、当該循環流路Ｌ５を第２熱媒体が流れ、気化器２において液体アンモニアによって冷却される第２熱媒体を、復水器５に送る、循環流路Ｌ５を含む。このような構成によれば、例えば、第２熱媒体の流量を調整することによって、蒸気の冷却を調整することができる。したがって、タービン４１の運転状況を細かく調整することができる。また、システム１０Ｂでは、例えば海水等の第１熱媒体が使用されない。したがって、液体アンモニアの海水への漏れがない。

続いて、さらに他の実施形態について説明する。

図４は、第４実施形態に係る発電システム１０Ｃを示す概略図である。システム１０Ｃは、循環流路Ｌ５が、気化器２と復水器５との間で流路Ｌ４に対して並列に設けられており、熱交換器６が設けられていない点で、第２実施形態のシステム１０Ａと異なる。その他の点については、システム１０Ｃは、システム１０Ａと同じであってもよい。別の観点では、システム１０Ｃは、第１実施形態の流路Ｌ４と、第３実施形態の循環流路Ｌ５と、の組合せを含む、ということができる。

以上のようなシステム１０Ｃによれば、上記のシステム１０，１０Ａ，１０Ｂと同様に、タービン４１からより多くの蒸気を復水器５に引き込むことができ、タービン４１の運転条件を拡張することができる。したがって、システム１０Ｂの発電効率が向上する。

また、システム１０Ｃでは、気化器２と復水器５とを熱的に接続するラインは、気化器２と復水器５とを直接的に接続する流路Ｌ４であって、当該流路Ｌ４を第１熱媒体が流れ、気化器２において液体アンモニアによって冷却される第１熱媒体を、復水器５に送る、流路Ｌ４を含む。また、気化器２と復水器５とを熱的に接続するラインは、気化器２と復水器５とを循環的に接続する循環流路Ｌ５であって、当該循環流路Ｌ５を第２熱媒体が流れ、気化器２において液体アンモニアによって冷却される第２熱媒体を、復水器５に送る、循環流路Ｌ５を含む。このような構成によれば、例えば、第１熱媒体および第２熱媒体の双方の流量を調整することによって、蒸気の冷却を調整することができる。したがって、タービン４１の運転状況をより細かく調整することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、第３実施形態のシステム１０Ｂは、気化器２を通らずに復水器５を通る追加の流路を備えてもよく、海水または河川の水がこの流路を流れてもよい。

本開示は、ＣＯ_２放出の削減につながるアンモニアの使用を促進することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギへのアクセスを確保する」および目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することができる。

１タンク（アンモニア供給源）
２気化器
３ボイラ
５復水器
６熱交換器
１０発電システム
１０Ａ発電システム
１０Ｂ発電システム
１０Ｃ発電システム
４１タービン
Ｌ４流路（第１ライン）
Ｌ５循環流路（第２ライン）

Claims

アンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、
前記ボイラと循環的に接続され、前記ボイラからの蒸気によって駆動されるタービンと、
前記ボイラおよび前記タービンと循環的に接続される復水器であって、前記タービンから排出される蒸気を冷却し、凝縮された水を前記ボイラに供給する、復水器と、
アンモニア供給源および前記ボイラと接続される単一の気化器であって、前記アンモニア供給源からの液体アンモニアを加熱し、加熱されたアンモニアを前記ボイラに供給する、単一の気化器と、
前記単一の気化器と前記復水器とを熱的に接続する少なくとも１つのラインであって、前記単一の気化器を流れる前記液体アンモニアの冷熱エネルギを、前記復水器に伝える、少なくとも１つのラインと、
を備え、
前記少なくとも１つのラインは、
前記復水器に接続される第１ラインであって、当該第１ラインを第１熱媒体が流れる、第１ラインと、
前記単一の気化器に循環的に接続される第２ラインであって、当該第２ラインを第２熱媒体が流れる、第２ラインと、
前記第１ラインと前記第２ラインとの間に配置される熱交換器であって、前記単一の気化器において前記液体アンモニアによって冷却されかつ前記第２ラインを流れる前記第２熱媒体によって、前記第１ラインを流れる前記第１熱媒体を冷却する、熱交換器と、
を含み、
前記第２熱媒体は、前記第１熱媒体の凝固点よりも低い凝固点を有する流体である、
発電システム。
アンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、
前記ボイラと循環的に接続され、前記ボイラからの蒸気によって駆動されるタービンと、
前記ボイラおよび前記タービンと循環的に接続される復水器であって、前記タービンから排出される蒸気を冷却し、凝縮された水を前記ボイラに供給する、復水器と、
アンモニア供給源および前記ボイラと接続される単一の気化器であって、前記アンモニア供給源からの液体アンモニアを加熱し、加熱されたアンモニアを前記ボイラに供給する、単一の気化器と、
前記単一の気化器と前記復水器とを熱的に接続する少なくとも１つのラインであって、前記単一の気化器を流れる前記液体アンモニアの冷熱エネルギを、前記復水器に伝える、少なくとも１つのラインと、
を備え、
前記少なくとも１つのラインは、
前記単一の気化器と前記復水器とを直接的に接続する第１ラインであって、当該第１ラインを第１熱媒体が流れ、前記単一の気化器において前記液体アンモニアによって冷却される前記第１熱媒体を、前記復水器に送る、第１ラインと、
前記単一の気化器と前記復水器とを循環的に接続する第２ラインであって、当該第２ラインを第２熱媒体が流れ、前記単一の気化器において前記液体アンモニアによって冷却される第２熱媒体を、前記復水器に送る、第２ラインと、
を含む、
発電システム。