JP7836685B2 - Thermal energy storage heat exchange system, power generation system, and operating method for thermal energy storage heat exchange system - Google Patents
Thermal energy storage heat exchange system, power generation system, and operating method for thermal energy storage heat exchange systemInfo
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Description
本開示は、蓄熱式熱交換器、蓄熱式熱交換システム、発電システム及び蓄熱式熱交換システムの運転方法に関するものである。 This disclosure relates to a thermal energy storage heat exchanger, a thermal energy storage heat exchange system, a power generation system, and a method for operating a thermal energy storage heat exchange system.
熱伝導率が高く高速に熱出し入れを可能とし、火力プラントで得られる400~650℃級の高温の水蒸気を利用可能とするため、金属系潜熱蓄熱材の使用が検討されている(特許文献1)。 The use of metallic latent heat storage materials is being considered because they have high thermal conductivity, enabling rapid heat transfer and extraction, and allowing the use of high-temperature steam (400-650°C) obtained from thermal power plants (Patent Document 1).
しかしながら、水和物系や有機物系の潜熱蓄熱材と異なり、金属系潜熱蓄熱材には侵食性があり、適切な侵食防止用保護層を設ける必要がある。この保護層は使用するにつれて消費されるため、定期的に保護層の再塗布等のメンテナンスが必要となる。金属系潜熱蓄熱材を現地施工の大型タンクに格納する一体型の場合、保護層の品質が保証できる現地での組立、プラント内でのメンテナンスを行うことが困難となる。そのため前述した格納容器は、品質保証やメンテナンスの観点から工場内で組立てることが好ましいが、その場合は容器の輸送や現地での配置方法に課題があり、金属系潜熱蓄熱材利用の蓄熱式熱交換器の実用化の障壁となっている。 However, unlike hydrate-based and organic-based latent heat storage materials, metallic latent heat storage materials are corrosive and require a suitable protective layer to prevent erosion. Since this protective layer is consumed with use, periodic maintenance, such as recoating the protective layer, is necessary. In the case of integrated systems where metallic latent heat storage materials are stored in large tanks constructed on-site, it becomes difficult to guarantee the quality of the protective layer during on-site assembly and maintenance within the plant. Therefore, while it is preferable to assemble the aforementioned storage vessels in the factory from the standpoint of quality assurance and maintenance, this presents challenges in transporting the vessels and their placement on-site, hindering the practical application of regenerative heat exchangers using metallic latent heat storage materials.
本開示は、上述した課題を解決するものであり、侵食防止保護層の品質保証、輸送、プラント内でのメンテナンスを実施可能とする適切なサイズのモジュール構造とした金属系潜熱蓄熱材利用の蓄熱式熱交換器を提供することを目的とする。 This disclosure aims to solve the aforementioned problems and provide a regenerative heat exchanger utilizing a metallic latent heat storage material with an appropriately sized modular structure that enables quality assurance, transportation, and maintenance within the plant for the erosion prevention protective layer.
上記の目的を達成するための本開示の蓄熱式熱交換器は、少なくとも1本の放熱用伝熱管と、前記放熱用伝熱管の周囲に配置され、前記放熱用伝熱管と熱交換可能であり、金属系潜熱蓄熱材が充填された蓄熱部と、前記蓄熱部と他の部材との境界面に配置された保護層と、前記蓄熱部の周囲に配置され、前記蓄熱部を保持する保持容器と、前記蓄熱部と熱交換可能であり、前記蓄熱部を加熱する加熱部と、を備える。 To achieve the above objective, the regenerative heat exchanger of this disclosure comprises at least one heat transfer tube for heat dissipation, a heat storage section disposed around the heat transfer tube, capable of exchanging heat with the heat transfer tube, and filled with a metallic latent heat storage material, a protective layer disposed at the interface between the heat storage section and other components, a holding container disposed around the heat storage section to hold the heat storage section, and a heating section capable of exchanging heat with the heat storage section and for heating the heat storage section.
また、本開示の蓄熱式熱交換システムは、上記に記載の複数の蓄熱式熱交換器と、前記蓄熱式熱交換器を並列に保持する保持機構と、を備え、前記蓄熱式熱交換器は、前記保持容器から水平方向に突出し、鉛直方向上側または下側、または両方の面が、前記保持機構と接する支持梁を備える。 Furthermore, the regenerative heat exchange system of this disclosure comprises a plurality of regenerative heat exchangers as described above, and a holding mechanism for holding the regenerative heat exchangers in parallel. The regenerative heat exchangers are provided with support beams that protrude horizontally from the holding container, and whose upper, lower, or both vertical surfaces are in contact with the holding mechanism.
また、本開示の発電システムは、上記に記載の蓄熱式熱交換システムと、前記蓄熱式熱交換器の前記放熱用伝熱管から高温の水蒸気が供給されるタービンと、前記タービンに接続される発電機と、前記加熱部に熱を供給する熱源と、を備える。 Furthermore, the power generation system of this disclosure comprises the regenerative heat exchange system described above, a turbine supplied with high-temperature steam from the heat transfer tubes of the regenerative heat exchanger, a generator connected to the turbine, and a heat source that supplies heat to the heating section.
また、本開示の蓄熱式熱交換システムの運転方法は、上記に記載の蓄熱式熱交換システムの運転方法であって、前記収納区画を複数備え、複数の前記収納区画からメンテナンスする対象の区画を特定し、対象の区画以外を稼働させつつ、対象の区画のメンテナンスを行う。 Furthermore, the operating method for the thermal energy storage heat exchange system described herein is the operating method for the thermal energy storage heat exchange system described above, wherein the system includes multiple storage compartments, identifies the compartment to be maintained from among the multiple storage compartments, and performs maintenance on the target compartment while operating the other compartments.
本開示によれば、一体型と比較して、侵食防止用保護層の品質保証及び、メンテナンスをプラント内で実施することが容易となる。またメンテナンス時は、対象のモジュールをあらかじめメンテナンスを済ませたモジュールと交換するだけで済むため、メンテナンスに伴うプラント稼働率の低下を低減できる。 According to this disclosure, compared to an integrated design, quality assurance of the erosion-preventive protective layer and maintenance can be easily performed within the plant. Furthermore, during maintenance, only the affected module needs to be replaced with a pre-maintained module, thus reducing the decrease in plant operating rate associated with maintenance.
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。 Preferred embodiments of this disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. However, this embodiment does not limit the disclosure, and where there are multiple embodiments, they may be combinations of these embodiments. Furthermore, the components in the embodiments include those readily conceivable by those skilled in the art, those that are substantially identical, and those within the so-called equivalent range.
<発電システム>
図1は、本実施形態の蓄熱式熱交換システムを備える発電システムを表す概略構成図である。図1に示すように、本実施形態の発電システム10は、蓄熱式熱交換器13と、タービン14と、発電機15と、加熱モジュール24と、を備える。本実施形態の加熱モジュール24は、蓄熱式熱交換器13の電気ヒータに電力を供給する電源である。
<Power generation system>
Figure 1 is a schematic diagram showing a power generation system equipped with the regenerative heat exchange system of this embodiment. As shown in Figure 1, the power generation system 10 of this embodiment comprises a regenerative heat exchanger 13, a turbine 14, a generator 15, and a heating module 24. The heating module 24 of this embodiment is a power source that supplies power to the electric heater of the regenerative heat exchanger 13.
蓄熱式熱交換器13は、加熱モジュール24から供給されたエネルギーで熱を蓄積する。蓄熱式熱交換器13は、蓄積した熱で水・水蒸気を加熱し、放熱回路20でタービン14に供給する。蓄熱式熱交換器13については、後述する。 The regenerative heat exchanger 13 stores heat using energy supplied from the heating module 24. The regenerative heat exchanger 13 heats water/steam with the stored heat and supplies it to the turbine 14 via the heat dissipation circuit 20. The regenerative heat exchanger 13 will be described later.
タービン14は、放熱回路20で供給される加熱された水蒸気が供給され、水蒸気が通過する力により回転する。タービン14は例えば、回転部に配置された動翼と固定部に配置された静翼が回転軸方向に交互に配置され、動翼と静翼が配置された空間を水蒸気が通過することで、回転方向に回転させる力を動翼に加えることで、回転部を回転させる。なお、タービン14の構造は特に限定されない。発電機15は、タービン14の回転と連結し、タービン14と共に回転することで、発電する。 The turbine 14 is supplied with heated steam from the heat dissipation circuit 20, and rotates due to the force of the steam passing through it. For example, the turbine 14 has rotor blades located in the rotating section and stationary blades located in the stationary section, arranged alternately in the direction of the rotation axis. Steam passes through the space between the rotor blades and stationary blades, applying a rotational force to the rotor blades, thereby rotating the rotating section. The structure of the turbine 14 is not particularly limited. The generator 15 is connected to the rotation of the turbine 14 and rotates together with the turbine 14 to generate electricity.
放熱回路20は、蓄熱式熱交換器13とタービン14と熱媒処理部22とを接続する管路であり、蓄熱式熱交換器13とタービン14と熱媒処理部22との順番で水(水蒸気)を循環させる。本実施形態の放熱回路20は、放熱媒体として、水(水蒸気)を用いたが、水と同様に種々の気体、液体等、種々の流体を用いることができるが、蓄熱式熱交換器13で液体から気体に相変化する媒体とすることが好ましい。これにより、タービン14での発電効率を高くすることができる。放熱回路20は、経路32で熱媒処理部22から水を供給し、蓄熱式熱交換器13で水が加熱され生成された水蒸気をタービン14に供給する。蓄熱式熱交換器13で加熱された水蒸気は、タービン14を回転させる。放熱回路20は、経路32でタービン14を通過した水蒸気を、熱媒処理部22に供給する。これにより、放熱回路20は、水(水蒸気)を循環させる。 The heat dissipation circuit 20 is a conduit connecting the regenerative heat exchanger 13, the turbine 14, and the heat transfer fluid processing unit 22, circulating water (steam) in the order of regenerative heat exchanger 13, turbine 14, and heat transfer fluid processing unit 22. In this embodiment, water (steam) is used as the heat dissipation medium in the heat dissipation circuit 20, but various fluids such as various gases and liquids can be used as well as water. However, it is preferable to use a medium that undergoes a phase change from liquid to gas in the regenerative heat exchanger 13. This makes it possible to increase the power generation efficiency of the turbine 14. The heat dissipation circuit 20 receives water from the heat transfer fluid processing unit 22 via path 32, and supplies the steam generated by heating the water in the regenerative heat exchanger 13 to the turbine 14. The steam heated in the regenerative heat exchanger 13 rotates the turbine 14. The heat dissipation circuit 20 supplies the steam that has passed through the turbine 14 via path 32 to the heat transfer fluid processing unit 22. As a result, the heat dissipation circuit 20 circulates water (water vapor).
熱媒処理部22は、放熱回路20に配置され、タービン14を通過した熱媒を蓄熱式熱交換器13に供給できる状態に処理する。本実施形態の熱媒処理部22は、タービン14を通過した熱媒を液体に戻す復水器と、熱媒の循環を制御するポンプとを備える。また、熱媒処理部22は、復水器を通過した水を加熱する給水加熱器を備えていてもよい。熱媒処理部22は、水(水蒸気)の循環を制御する。 The heat transfer fluid processing unit 22 is located in the heat dissipation circuit 20 and processes the heat transfer fluid that has passed through the turbine 14 into a state that can be supplied to the regenerative heat exchanger 13. In this embodiment, the heat transfer fluid processing unit 22 includes a condenser that returns the heat transfer fluid that has passed through the turbine 14 back into a liquid, and a pump that controls the circulation of the heat transfer fluid. The heat transfer fluid processing unit 22 may also include a feedwater heater that heats the water that has passed through the condenser. The heat transfer fluid processing unit 22 controls the circulation of water (steam).
加熱モジュール24は、蓄熱式熱交換器13に電力を供給し、蓄熱式熱交換器13を加熱する。加熱モジュール24は、電力源として種々の電力を用いることができるが、系統電源で生じる余剰電力を蓄熱式熱交換器13に供給することが好ましい。 The heating module 24 supplies power to the regenerative heat exchanger 13 and heats the regenerative heat exchanger 13. While the heating module 24 can use various power sources, it is preferable to supply surplus power generated by the grid to the regenerative heat exchanger 13.
以下、図2及び図3を用いて、蓄熱式熱交換器13について説明する。図2は、蓄熱式熱交器の概略構成を表す斜視図である。図3は、蓄熱式熱交器の概略構成を表す水平断面図である。なお、図2及び図3では、1モジュールの蓄熱式熱交換器13を示すが、発電システム10は、複数モジュールの蓄熱式熱交換器13を備えていてもよい。 The regenerative heat exchanger 13 will be described below with reference to Figures 2 and 3. Figure 2 is a perspective view showing the schematic configuration of the regenerative heat exchanger. Figure 3 is a horizontal cross-sectional view showing the schematic configuration of the regenerative heat exchanger. Although Figures 2 and 3 show a single module of the regenerative heat exchanger 13, the power generation system 10 may be equipped with multiple modules of the regenerative heat exchanger 13.
蓄熱式熱交換器13は、供給された熱を蓄積させる蓄熱材が充填された構造物であり、本実施形態では、円柱状の構造物である。なお、外形形状はこれに限定されない。蓄熱式熱交換器13は、蓄熱部100と、保持容器102と、放熱用伝熱管104と、加熱用ヒータ106と、保護層108、110、112と、を備える。なお、本実施形態では加熱モジュール24として加熱用ヒータ106を採用したが、特にこれに限定するものではなく、加熱用伝熱管を用いても良い。本熱交換器形状は、侵食防止保護層の品質保証、プラント内でのメンテナンスが実施可能である。 The regenerative heat exchanger 13 is a structure filled with a heat storage material that stores supplied heat, and in this embodiment, it is a cylindrical structure. However, the external shape is not limited to this. The regenerative heat exchanger 13 comprises a heat storage section 100, a holding container 102, heat transfer tubes 104, a heating heater 106, and protective layers 108, 110, and 112. In this embodiment, a heating heater 106 is used as the heating module 24, but this is not limited to this, and heating tubes may also be used. This heat exchanger shape allows for quality assurance of the corrosion-preventive protective layer and enables maintenance within the plant.
蓄熱部100は、金属で形成され、加熱されることで液相になり、放熱することで固相になる潜熱蓄熱材(PCM:Phase Change Material)、つまり金属系潜熱蓄熱材である。蓄熱部100は、例えば、アルミニウムに他の金属を混ぜたもの、アルミニウムベースの金属を用いることができる。 The heat storage unit 100 is a latent heat storage material (PCM: Phase Change Material), which is made of metal, becomes a liquid phase when heated, and becomes a solid phase when heat is released. In other words, it is a metallic latent heat storage material. For example, the heat storage unit 100 can be made of aluminum mixed with other metals, or an aluminum-based metal.
保持容器102は、蓄熱部100を保持する容器である。保持容器102は、蓄熱部100の運転温度よりも高い温度の融点の材料で形成されている。保持容器102は、例えば、ステンレス鋼で形成される。保持容器102は、断熱材等で蓄熱部100の周囲を覆うことが好ましい。保持容器102は、鉛直方向上側の端部近傍に水平方向に突出した支持梁120を備える。支持梁120は、鉛直方向下側の面が、蓄熱式熱交換器13を支持する保持機構60の水平支持体64と接する。なお、本実施形態では、保持容器102を上方から吊り下げる場合で説明するが、保持容器102は、下面を支持しても、側面を支持してもよい。支持梁120は、保持機構60との接触面となり、位置決め部材となる。また、支持梁120は、後述する作業クレーンでの移動時に用いる吊棒130との連結部も備える。 The holding container 102 is a container that holds the heat storage unit 100. The holding container 102 is made of a material with a melting point higher than the operating temperature of the heat storage unit 100. For example, the holding container 102 is made of stainless steel. It is preferable that the holding container 102 surrounds the heat storage unit 100 with an insulating material or the like. The holding container 102 is provided with a support beam 120 that protrudes horizontally near its upper vertical end. The lower vertical surface of the support beam 120 contacts the horizontal support 64 of the holding mechanism 60 that supports the heat storage heat exchanger 13. In this embodiment, the explanation describes the case where the holding container 102 is suspended from above, but the holding container 102 may be supported by its bottom surface or its sides. The support beam 120 becomes the contact surface with the holding mechanism 60 and acts as a positioning member. The support beam 120 also includes a connection point for the suspension rod 130 used when moving the unit with a work crane, as described later.
放熱用伝熱管104は、放熱回路20と接続する配管であり、蓄熱部100に挿入される。放熱用伝熱管104は、両端が放熱回路20と接続し、放熱回路20を流れる熱媒が通過する。本実施形態の放熱用伝熱管104は、蓄熱部100に1本挿入されている。なお、放熱用伝熱管104の配置本数は、1本に限定されず、複数本配置してもよい。 The heat transfer tube 104 is a pipe connected to the heat dissipation circuit 20 and is inserted into the heat storage unit 100. Both ends of the heat transfer tube 104 are connected to the heat dissipation circuit 20, and the heat transfer medium flowing through the heat dissipation circuit 20 passes through it. In this embodiment, one heat transfer tube 104 is inserted into the heat storage unit 100. Note that the number of heat transfer tubes 104 is not limited to one; multiple tubes may be installed.
加熱用ヒータ106は、加熱モジュール24と接続され、加熱モジュール24から供給される電力で発電する。また、加熱ヒータの代わりに加熱用伝熱管を用いる場合、加熱ヒータ106の部分が加熱用伝熱管となり、加熱回路18と接続する配管であり、蓄熱部100に挿入される。加熱用伝熱管は、両端が加熱回路18と接続し、加熱回路18を流れる熱媒が通過する。本実施形態の加熱用ヒータ106は、蓄熱部100に複数本挿入されている。 The heating element 106 is connected to the heating module 24 and generates electricity using power supplied from the heating module 24. When a heat transfer tube is used instead of the heating element, the portion of the heating element 106 becomes the heat transfer tube, which is a pipe connected to the heating circuit 18 and inserted into the heat storage unit 100. Both ends of the heat transfer tube are connected to the heating circuit 18, and the heat transfer medium flowing through the heating circuit 18 passes through it. In this embodiment, multiple heating elements 106 are inserted into the heat storage unit 100.
保護層108、110、112は、蓄熱部100と他の部材との境界面に配置される。保護層108は、蓄熱部100と保持容器102との境界に配置される。保護層110は、蓄熱部100と放熱用伝熱管104との境界に配置される。保護層112は、蓄熱部100と加熱用伝ヒータ106との境界に配置される。蓄熱部100は、保護層108、110、112で外表面の全面が覆われている。保護層108、110、112は、蓄熱部100の金属系潜熱蓄熱材に対する防食性が高い材料で形成される。保護層108、110、112は、金属系潜熱蓄熱材が他の部材を侵食することを抑制する。保護層としては、金属系潜熱蓄熱材の侵食性を防ぐことが可能な材料であれば特に限定されないが、例えばジルコニウム酸化物を例示することができる。 The protective layers 108, 110, and 112 are positioned at the interface between the heat storage section 100 and other components. Protective layer 108 is positioned at the boundary between the heat storage section 100 and the holding container 102. Protective layer 110 is positioned at the boundary between the heat storage section 100 and the heat dissipation heat transfer tube 104. Protective layer 112 is positioned at the boundary between the heat storage section 100 and the heating heater 106. The entire outer surface of the heat storage section 100 is covered by the protective layers 108, 110, and 112. The protective layers 108, 110, and 112 are made of a material with high corrosion resistance to the metallic latent heat storage material of the heat storage section 100. The protective layers 108, 110, and 112 suppress the metallic latent heat storage material from corroding other components. The protective layer is not particularly limited as long as it is a material capable of preventing erosion of the metallic latent heat storage material, but zirconium oxide can be given as an example.
また、蓄熱式熱交換器13は、蓄熱部100に金属系潜熱蓄熱材を用い、かつ、蓄熱部100の周囲に保護層108、110、112を設けることで、蓄熱部100の使用可能温度を高く、例えば400℃から650℃とすることができ、より多くの熱を蓄積することができ、かつ、蓄熱部100が他の部材を腐食させることを抑制できる。これにより、より長い時間使用することができ、メンテナンス頻度を低減することができる。 Furthermore, by using a metallic latent heat storage material in the heat storage section 100 of the regenerative heat exchanger 13, and by providing protective layers 108, 110, and 112 around the heat storage section 100, the usable temperature of the heat storage section 100 can be increased, for example, from 400°C to 650°C. This allows for the storage of more heat and suppresses corrosion of other components by the heat storage section 100. As a result, it can be used for a longer period and the frequency of maintenance can be reduced.
また、蓄熱式熱交換器13の蓄熱部100を加熱する加熱部として、電気ヒータを用いることで、電力源として太陽電池を用いることもできる。また、電力で加熱する場合も余剰電力が発生している場合に、蓄熱を行い、電力需要が大きいときに放熱して発電することで、電力系統を安定化させることができる。 Furthermore, by using an electric heater as the heating element for the heat storage section 100 of the regenerative heat exchanger 13, solar cells can be used as the power source. Also, even when heating with electricity, if surplus electricity is generated, heat can be stored, and then released to generate electricity when electricity demand is high, thereby stabilizing the power grid.
本実施形態の加熱モジュール24は、電力を供給して、蓄熱式熱交換器13を加熱したが、熱源はこれに限定されない。加熱モジュール24は、燃料を燃焼して熱を発生させる加熱炉や、太陽光を集光して対象物を加熱し、対象物の熱で加熱媒体を加熱する太陽熱集約機器、原子炉等、熱媒を加熱する種々の熱源を用いることができる。 In this embodiment, the heating module 24 heats the regenerative heat exchanger 13 by supplying power, but the heat source is not limited to this. The heating module 24 can utilize various heat sources for heating the heat transfer medium, such as a heating furnace that generates heat by burning fuel, a solar thermal energy concentrator that heats an object by concentrating sunlight and using the heat from that object to heat the heating medium, or a nuclear reactor.
図4は、他の実施形態の蓄熱式熱交換器を備える発電システムを表す概略構成図である。図4は、熱媒を用いて蓄熱式熱交換器13を加熱するシステムの一例である。図4に示す発電システム10aは、蓄熱式熱交換器13と、タービン14と、発電機15と、加熱モジュール16と、加熱回路18と、放熱回路20と、熱媒処理部22と、を備える。発電システム10aのタービン14と、発電機15と、放熱回路20と、熱媒処理部22とは、発電システム10の各部と同様なので、説明を省略する。本実施形態の蓄熱式熱交換器13は、加熱用ヒータ106に代えて、加熱用伝熱管が配置される。加熱用伝熱管は、加熱用ヒータ106と同様の位置に配置される。 Figure 4 is a schematic diagram showing a power generation system equipped with a regenerative heat exchanger of another embodiment. Figure 4 is an example of a system that heats the regenerative heat exchanger 13 using a heat transfer medium. The power generation system 10a shown in Figure 4 comprises a regenerative heat exchanger 13, a turbine 14, a generator 15, a heating module 16, a heating circuit 18, a heat dissipation circuit 20, and a heat transfer medium processing unit 22. The turbine 14, generator 15, heat dissipation circuit 20, and heat transfer medium processing unit 22 of the power generation system 10a are the same as those in the power generation system 10, so their description is omitted. In this embodiment, the regenerative heat exchanger 13 has heating tubes instead of a heating heater 106. The heating tubes are positioned in the same location as the heating heater 106.
加熱モジュール16は、蓄熱式熱交換器13を加熱する熱源である。本実施形態の加熱モジュール16は、加熱回路18を循環する熱媒(加熱媒体)を加熱する。加熱モジュール16は、燃料を燃焼して熱を発生させる加熱炉や、太陽光を集光して対象物を加熱し、対象物の熱で加熱媒体を加熱する太陽熱集約機器、原子炉等、熱媒を加熱する種々の熱源を用いることができる。 The heating module 16 is a heat source that heats the regenerative heat exchanger 13. In this embodiment, the heating module 16 heats the heat transfer medium (heating medium) circulating in the heating circuit 18. The heating module 16 can utilize various heat sources for heating the heat transfer medium, such as a heating furnace that generates heat by burning fuel, a solar thermal energy concentrator that heats an object by concentrating sunlight and using the heat from that object to heat the heating medium, or a nuclear reactor.
加熱回路18は、蓄熱式熱交換器13と加熱モジュール16とを接続する管路であり、蓄熱式熱交換システム12と加熱モジュール16との間で熱媒(加熱媒体)を循環させる。加熱媒体としては、管路を移動する種々の媒体を用いることができ、気体、液体のいずれでもよい。加熱回路18は、加熱モジュール16で加熱された熱媒を蓄熱式熱交換器13の加熱用伝熱管に供給し、蓄熱式熱交換器13で熱が吸収された熱媒を加熱モジュール16に送ることで、熱媒を循環させる。 The heating circuit 18 is a conduit connecting the regenerative heat exchanger 13 and the heating module 16, circulating a heat transfer medium (heating medium) between the regenerative heat exchange system 12 and the heating module 16. Various media that move through the conduit can be used as the heating medium, and can be either a gas or a liquid. The heating circuit 18 circulates the heat transfer medium by supplying the heat transfer medium heated in the heating module 16 to the heating tubes of the regenerative heat exchanger 13, and then sending the heat transfer medium, from which heat has been absorbed in the regenerative heat exchanger 13, back to the heating module 16.
発電システム10aは、加熱モジュール16で熱を生成し、加熱媒体を加熱回路18の経路30で循環させることで、蓄熱式熱交換器13に供給する。蓄熱式熱交換器13は、通過する加熱媒体で蓄熱部100が加熱される。蓄熱部100は、供給された熱を蓄積する。蓄熱部100は、温度を所定以上に加熱されると液相となる。また、蓄熱式熱交換器13の加熱用伝熱管を通過した加熱媒体は、加熱回路18を通過して、加熱モジュール16に戻る。つまり経路30で循環する。また、発電システム10aは、発電システム10と同様の経路、つまり、放熱回路20の経路32で水(水蒸気)を循環させる。 The power generation system 10a generates heat in the heating module 16 and supplies it to the regenerative heat exchanger 13 by circulating the heating medium through the path 30 of the heating circuit 18. The regenerative heat exchanger 13 is heated by the passing heating medium in its heat storage section 100. The heat storage section 100 stores the supplied heat. When the temperature of the heat storage section 100 is heated above a predetermined level, it enters the liquid phase. The heating medium that has passed through the heat transfer tubes of the regenerative heat exchanger 13 returns to the heating module 16 via the heating circuit 18. In other words, it circulates through path 30. Furthermore, the power generation system 10a circulates water (water vapor) through the same path as the power generation system 10, namely through path 32 of the heat dissipation circuit 20.
このように、蓄熱式熱交換器13に加熱用伝熱管を設け、加熱用伝熱管内に高温の熱媒を流通させることでも、蓄熱することができる。この場合も、加熱用伝熱管と蓄熱部100の境界に保護層110を設けることで、蓄熱式熱交換器13に加熱用ヒータ106を用いる場合と同様の効果を得ることができる。 Thus, heat can also be stored by providing heating heat transfer tubes in the regenerative heat exchanger 13 and circulating a high-temperature heat transfer medium through the heating heat transfer tubes. In this case as well, by providing a protective layer 110 at the boundary between the heating heat transfer tubes and the heat storage section 100, the same effect as when using a heating heater 106 in the regenerative heat exchanger 13 can be obtained.
図5は、他の実施形態の蓄熱式熱交換器を備える発電システムを表す概略構成図である。図5は、熱媒を用いて蓄熱式熱交換器13を加熱するシステムの一例である。図5に示す発電システム10bは、蓄熱式熱交換器13と、タービン14と、発電機15と、加熱モジュール16と、加熱回路18と、放熱回路20と、熱媒処理部22と、を備える。発電システム10bは、加熱回路18の構成以外、発電システム10aと同様である。 Figure 5 is a schematic diagram showing a power generation system equipped with a regenerative heat exchanger of another embodiment. Figure 5 shows an example of a system that heats the regenerative heat exchanger 13 using a heat transfer medium. The power generation system 10b shown in Figure 5 comprises a regenerative heat exchanger 13, a turbine 14, a generator 15, a heating module 16, a heating circuit 18, a heat dissipation circuit 20, and a heat transfer medium processing unit 22. Except for the configuration of the heating circuit 18, the power generation system 10b is the same as the power generation system 10a.
加熱回路18は、加熱モジュール16と、蓄熱式熱交換器13とを接続し、加熱モジュール16で加熱された熱媒を蓄熱式熱交換器13に供給する。加熱回路18は、蓄熱式熱交換器13を通過した熱媒を外部に排出する。 The heating circuit 18 connects the heating module 16 to the regenerative heat exchanger 13 and supplies the heat transfer medium heated by the heating module 16 to the regenerative heat exchanger 13. The heating circuit 18 then discharges the heat transfer medium that has passed through the regenerative heat exchanger 13 to the outside.
発電システム10bのように、蓄熱式熱交換器13を加熱する熱源を、蓄熱式熱交換器13内を通過する熱媒とし、熱媒を循環させない構成とすることもできる。また、本実施形態の発電システム10bは、燃焼炉、焼却炉の排ガスを熱媒として利用することができる。 As in power generation system 10b, the heat source for heating the regenerative heat exchanger 13 can be a heat transfer medium passing through the regenerative heat exchanger 13, and the heat transfer medium can not be circulated. Furthermore, in this embodiment, power generation system 10b can utilize exhaust gas from a combustion furnace or incinerator as the heat transfer medium.
上記実施形態では、1モジュールの蓄熱式熱交換器13を用いた発電システムとしたが、複数のモジュールを用いた発電システムとすることもできる。 In the above embodiment, a power generation system using a single regenerative heat exchanger 13 module was used, but a power generation system using multiple modules can also be used.
以下、蓄熱式熱交換器13が複数のモジュールで構成される場合について説明する。まず、図6を用いて、複数のモジュールの蓄熱式熱交換器13を有する蓄熱式熱交換システム12の概略構成について説明する。図6は、蓄熱式熱交換システムの概略構成を表す模式図である。図6に示すように、本実施形態の発電システム10cは、蓄熱式熱交換システム12と、タービン14と、発電機15と、加熱モジュール16と、加熱回路18と、放熱回路20と、熱媒処理部22と、を備える。発電システム10cは、蓄熱式熱交換システム12が、複数のモジュールの蓄熱式熱交換器13を有する以外は、発電システム10と同様の構成である。加熱モジュール16と、加熱回路18と、放熱回路20と、は、複数のモジュールの蓄熱式熱交換器13に対応する配管構成等が異なるが、発電システム10の各部と機能は同様である。 The following describes the case where the regenerative heat exchanger 13 is composed of multiple modules. First, using Figure 6, the schematic configuration of a regenerative heat exchange system 12 having multiple modules of regenerative heat exchanger 13 will be described. Figure 6 is a schematic diagram showing the schematic configuration of a regenerative heat exchange system. As shown in Figure 6, the power generation system 10c of this embodiment comprises a regenerative heat exchange system 12, a turbine 14, a generator 15, a heating module 16, a heating circuit 18, a heat dissipation circuit 20, and a heat transfer fluid processing unit 22. The power generation system 10c has the same configuration as the power generation system 10, except that the regenerative heat exchange system 12 has multiple modules of regenerative heat exchanger 13. The heating module 16, heating circuit 18, and heat dissipation circuit 20 have different piping configurations corresponding to the multiple modules of regenerative heat exchanger 13, but their functions are the same as those of the power generation system 10.
以下、蓄熱式熱交換システム12について説明する。図7を用いて、蓄熱式熱交換システム12の概略構成について説明する。図7は、蓄熱式熱交換システムの概略構成を表す模式図である。複数のモジュールの蓄熱式熱交器を有する蓄熱式熱交換システム12は、図7に示すように、複数の区画40と、作業クレーン42と、メンテナンス部44と、を備える。なお、蓄熱式熱交換システム12は、メンテナンス部44が、隣接してない、つまり遠隔地にあってもよい。複数の区画40は、同一の敷地内に隣接して配置される。区画40には、それぞれ多数の蓄熱式熱交換器13が配置される。区画40については後述する。 The following describes the regenerative heat exchange system 12. The schematic configuration of the regenerative heat exchange system 12 will be explained using Figure 7. Figure 7 is a schematic diagram showing the schematic configuration of the regenerative heat exchange system. The regenerative heat exchange system 12, which has multiple modules of regenerative heat exchangers, comprises multiple compartments 40, a work crane 42, and a maintenance unit 44, as shown in Figure 7. Note that the maintenance unit 44 of the regenerative heat exchange system 12 may not be adjacent, i.e., it may be located in a remote location. The multiple compartments 40 are arranged adjacent to each other within the same site. Each compartment 40 is equipped with numerous regenerative heat exchangers 13. The compartments 40 will be described later.
作業クレーン42は、複数の区画40とメンテナンス部44との鉛直方向上側の領域で、複数の区画40とメンテナンス部44との間で移動可能な作業機械である。作業クレーン42は、蓄熱式熱交換器13を吊るして移動可能であり、区画40への蓄熱式熱交換器50の配置や、蓄熱式熱交換器13の移動を行う。 The work crane 42 is a work machine that can move between the multiple compartments 40 and the maintenance section 44 in the vertically upper area between the multiple compartments 40 and the maintenance section 44. The work crane 42 can suspend and move the regenerative heat exchanger 13, and is used for positioning the regenerative heat exchanger 50 in the compartments 40 and moving the regenerative heat exchanger 13.
メンテナンス部44は、蓄熱式熱交換器13の点検、補修等を行う。また、メンテナンス部44は、交換するための蓄熱式熱交換器13も備えている。メンテナンス部44は、作業クレーン42で搬送された蓄熱式熱交換器13を点検、補修する。蓄熱式熱交換システム12は、メンテナンス部44に備えている蓄熱式熱交換器50や、メンテナンスした蓄熱式熱交換器13を、作業クレーン42を用いて、区画40の装填可能な位置に供給する。 The maintenance unit 44 performs inspections and repairs of the regenerative heat exchanger 13. The maintenance unit 44 also has a regenerative heat exchanger 13 for replacement. The maintenance unit 44 inspects and repairs the regenerative heat exchanger 13 transported by the work crane 42. The regenerative heat exchange system 12 uses the work crane 42 to supply the regenerative heat exchanger 50, which is located in the maintenance unit 44, and the maintained regenerative heat exchanger 13, to a loadable position in section 40.
次に、図8及び図9を用いて区画40について説明する。図8は、蓄熱式熱交換システムの1つの区画の概略構成を表す側面図である。図9は、蓄熱式熱交換システムの1つの区画の概略構成を表す上面図である。 Next, section 40 will be described using Figures 8 and 9. Figure 8 is a side view showing the schematic configuration of one section of the thermal energy storage heat exchange system. Figure 9 is a top view showing the schematic configuration of one section of the thermal energy storage heat exchange system.
区画40は、上述したように複数の蓄熱式熱交換器13が配置される。区画40は、複数の蓄熱式熱交換器13と、保持機構60と、断熱材62と、配線70と、放熱媒体供給部80と、放熱媒体排出部82と、を備える。 As described above, compartment 40 is equipped with multiple regenerative heat exchangers 13. Compartment 40 includes multiple regenerative heat exchangers 13, a holding mechanism 60, insulation material 62, wiring 70, a heat dissipation medium supply unit 80, and a heat dissipation medium discharge unit 82.
保持機構60は、複数の蓄熱式熱交換器13を保持する。保持機構60は、鉄骨等の柱と梁とを組み合わせた構造物であり、蓄熱式熱交換器13を配置する領域が空間となっている。保持機構60は、水平支持体64を有する。水平支持体64は、複数の蓄熱式熱交換器13の本体部分が通過可能で、蓄熱式熱交換器13の支持梁よりも径が小さい穴が形成されている。水平支持体64は、蓄熱式熱交換器13の支持梁と接触し、蓄熱式熱交換器13を支持する。 The holding mechanism 60 holds multiple regenerative heat exchangers 13. The holding mechanism 60 is a structure combining columns and beams, such as steel frames, with a space for arranging the regenerative heat exchangers 13. The holding mechanism 60 has horizontal support members 64. The horizontal support members 64 have holes that are smaller in diameter than the support beams of the regenerative heat exchangers 13, allowing the main bodies of the multiple regenerative heat exchangers 13 to pass through. The horizontal support members 64 contact the support beams of the regenerative heat exchangers 13, thereby supporting the regenerative heat exchangers 13.
断熱材62は、保持機構60の外壁となる面に配置され、複数の蓄熱式熱交換器13が配置される空間を覆う。断熱材62は、複数の蓄熱式熱交換器13が配置される空間と外側の領域との間での熱交換を抑制し、複数の蓄熱式熱交換器13で保持された熱の放熱を抑制する。なお、断熱材に関しては本実施例で示した施工方法以外の方法として、蓄熱式熱交換器13に直接、施工する方法などを用いることができる。 The insulation material 62 is placed on the outer wall surface of the holding mechanism 60 and covers the space where the multiple heat storage type heat exchangers 13 are arranged. The insulation material 62 suppresses heat exchange between the space where the multiple heat storage type heat exchangers 13 are arranged and the outer region, thereby suppressing the heat dissipation of heat held by the multiple heat storage type heat exchangers 13. Regarding the insulation material, methods other than the construction method shown in this embodiment, such as directly applying it to the heat storage type heat exchangers 13, can also be used.
配線70は、加熱モジュール24と複数の蓄熱式熱交換器13とを接続する。配線70は、加熱モジュール24から供給される電力を複数の蓄熱式熱交換器13に送る。 The wiring 70 connects the heating module 24 to the multiple regenerative heat exchangers 13. The wiring 70 transmits the power supplied from the heating module 24 to the multiple regenerative heat exchangers 13.
放熱媒体供給部80は、放熱回路20の端部と、複数の蓄熱式熱交換器13とを接続する。放熱媒体供給部80は、複数の蓄熱式熱交換器13に対するヘッダとなり、放熱回路20から供給される加熱媒体を複数の蓄熱式熱交換器13に供給する。放熱媒体排出部82は、放熱回路20の端部と、複数の蓄熱式熱交換器13とを接続する。放熱媒体排出部82は、複数の蓄熱式熱交換器13に対するヘッダとなり、複数の蓄熱式熱交換器13を通過した放熱媒体を放熱回路20に排出する。 The heat dissipation medium supply unit 80 connects the end of the heat dissipation circuit 20 to the multiple regenerative heat exchangers 13. The heat dissipation medium supply unit 80 acts as a header for the multiple regenerative heat exchangers 13, supplying the heating medium from the heat dissipation circuit 20 to the multiple regenerative heat exchangers 13. The heat dissipation medium discharge unit 82 connects the end of the heat dissipation circuit 20 to the multiple regenerative heat exchangers 13. The heat dissipation medium discharge unit 82 acts as a header for the multiple regenerative heat exchangers 13, discharging the heat dissipation medium that has passed through the multiple regenerative heat exchangers 13 back to the heat dissipation circuit 20.
また、蓄熱式熱交換器13は、支持梁120を設け、吊り下げられる構造とすることで、搬送を簡単にすることができる。なお、本実施形態では、保持容器102を上方から吊り下げる場合で説明するが、保持容器102は、下面を支持しても、側面を支持してもよい。支持梁120は、保持機構60との接触面となり、位置決め部材となる。また、支持梁120は、作業クレーンでの移動時に用いる吊棒130との連結部も備える。蓄熱式熱交換器13は、吊棒130を介して吊り下げられることで、移動される。 Furthermore, the regenerative heat exchanger 13 can be easily transported by providing a support beam 120 and suspending it. In this embodiment, the explanation describes the case where the holding container 102 is suspended from above, but the holding container 102 may be supported on its bottom or its sides. The support beam 120 serves as the contact surface with the holding mechanism 60 and acts as a positioning member. The support beam 120 also includes a connection point for the suspension rod 130 used when moving the unit with a work crane. The regenerative heat exchanger 13 is moved by being suspended via the suspension rod 130.
蓄熱式熱交換システム12は、複数の区画40を設ける構造とすることで、1つの区画40の蓄熱式熱交換器13をメンテナンスしている場合でも、他の区画での蓄熱、放熱を行うことができる。これにより、運転効率を高くすることができる。また、本実施形態のように、蓄熱式熱交換器13を軸方向(長手方向)が鉛直方向となる向きで、水平方向に並列して配置することで、蓄熱式熱交換器13の取り出し、装着を簡単に行うことができる。 The thermal storage heat exchange system 12 has a structure that provides multiple compartments 40, allowing heat storage and release in other compartments even when the thermal storage heat exchanger 13 in one compartment 40 is being maintained. This increases operating efficiency. Furthermore, as in this embodiment, by arranging the thermal storage heat exchangers 13 horizontally in parallel with their axial direction (longitudinal direction) being vertical, the thermal storage heat exchangers 13 can be easily removed and installed.
本実施形態の区画40では、保持機構60に蓄熱式熱交換器13を鉛直方向に1段で水平方向に行列配置したが、配置方法は特に限定されない。水平方向に千鳥配置してもよい。保持機構60に蓄熱式熱交換器13を鉛直方向に2段で配置してもよい。また、蓄熱式熱交換器13の軸方向が鉛直方向となる向きに限定されず、鉛直方向に対して傾斜した向きや水平方向に配置してもよい。 In this embodiment, in section 40, the regenerative heat exchangers 13 are arranged in a single vertical row and horizontally in a matrix within the holding mechanism 60. However, the arrangement method is not particularly limited. They may be arranged in a staggered horizontal configuration. The regenerative heat exchangers 13 may also be arranged in two vertical rows within the holding mechanism 60. Furthermore, the axial direction of the regenerative heat exchangers 13 is not limited to the vertical direction; they may also be arranged in an inclined direction relative to the vertical or horizontally.
また、発電システム10は、ボイラを用いた発電設備と併設して設置してもよい。この場合、タービン14は、ボイラを用いた発電設備のタービンを用いることができる。発電システム10は、ボイラを用いた発電設備のボイラの排熱や、ボイラを用いた発電設備で発電した余剰電力を、蓄熱式熱交換器の加熱源(熱源)として用いることができる。また、発電する必要があるが蓄熱式熱交換器で発電できない場合にはボイラで発電することもできる。 Furthermore, the power generation system 10 may be installed alongside a power generation facility using a boiler. In this case, the turbine 14 can be the same turbine used in the power generation facility using a boiler. The power generation system 10 can use the waste heat from the boiler of the power generation facility, or the surplus electricity generated by the power generation facility using a boiler, as a heat source (heat source) for the regenerative heat exchanger. Also, if power generation is required but cannot be done with the regenerative heat exchanger, power can be generated using the boiler.
また、発電システム10は、蓄熱式熱交換器の加熱と放熱に熱媒を用いる場合、同じ伝熱管に加熱媒体と放熱媒体が流れる構造としてもよい。例えば、蓄熱式熱交換システム12の配管と加熱回路18と放熱回路20とが接続する三方弁を設け、三方弁を切り替えることで、蓄熱式熱交換システム12の蓄熱と放熱を切り替えるようにしてもよい。 Furthermore, when the power generation system 10 uses a heat transfer medium for heating and heat dissipation of the regenerative heat exchanger, it may be structured so that the heating medium and heat dissipation medium flow through the same heat transfer tube. For example, a three-way valve may be provided connecting the piping of the regenerative heat exchange system 12 to the heating circuit 18 and the heat dissipation circuit 20, and the heat storage and heat dissipation of the regenerative heat exchange system 12 may be switched by switching the three-way valve.
また、本実施形態の蓄熱式熱交換器13は、蓄積した熱を放出して発電する場合として説明したが、発電以外の用途の熱源としても用いてもよい。例えば、蓄熱式熱交換器13で蓄熱した熱を、暖房や、蒸気発生源のエネルギーとしてもよい。 Furthermore, although the thermal storage heat exchanger 13 of this embodiment was described as a case where stored heat is released to generate electricity, it may also be used as a heat source for purposes other than power generation. For example, the heat stored in the thermal storage heat exchanger 13 may be used for heating or as energy for a steam generation source.
10、10a、10b、10c 発電システム
12 蓄熱式熱交換システム
13 蓄熱式熱交換器
14 タービン
16、24 加熱モジュール
18 加熱回路
20 放熱回路
22 熱媒処理部
30、32 経路
40 区画
42 作業クレーン
44 メンテナンス部
50 蓄熱式熱交換器
60 保持機構
62 断熱材
64 水平支持体
70 配線
80 放熱媒体供給部
82 放熱媒体排出部
100 蓄熱部
102 保持容器
104 放熱用伝熱管
106 加熱用ヒータ
108、110、112 保護層
120 支持梁
130 吊棒
10, 10a, 10b, 10c Power generation system 12 Regenerative heat exchange system 13 Regenerative heat exchanger 14 Turbine 16, 24 Heating module 18 Heating circuit 20 Heat dissipation circuit 22 Heat transfer fluid section 30, 32 Route 40 Compartment 42 Working crane 44 Maintenance section 50 Regenerative heat exchanger 60 Holding mechanism 62 Insulation material 64 Horizontal support 70 Wiring 80 Heat dissipation fluid supply section 82 Heat dissipation fluid discharge section 100 Heat storage section 102 Holding container 104 Heat transfer tube for heat dissipation 106 Heating heater 108, 110, 112 Protective layer 120 Support beam 130 Suspension rod
Claims (8)
前記放熱用伝熱管の周囲に配置され、前記放熱用伝熱管と熱交換可能であり、金属系潜熱蓄熱材が充填された蓄熱部と、
前記蓄熱部と他の部材との境界面に配置された保護層と、
前記蓄熱部の周囲に配置され、前記蓄熱部を保持する保持容器と、
前記蓄熱部と熱交換可能であり、前記蓄熱部を加熱する加熱部と、を備える複数の蓄熱式熱交換器と、
前記蓄熱式熱交換器を並列に保持する保持機構と、
複数の前記蓄熱式熱交換器を収納する収納区画と、
複数の前記蓄熱式熱交換器の前記放熱用伝熱管と接続する放熱ヘッダと、を備え、
前記蓄熱式熱交換器は、前記保持容器から水平方向に突出し、鉛直方向下側の面が、前記保持機構と接する支持梁を備える蓄熱式熱交換システム。 At least one heat transfer tube for heat dissipation,
A heat storage section is arranged around the heat transfer tubes, is capable of exchanging heat with the heat transfer tubes, and is filled with a metallic latent heat storage material.
A protective layer is disposed at the interface between the heat storage section and other components,
A holding container is arranged around the heat storage unit and holds the heat storage unit,
A plurality of regenerative heat exchangers comprising a heating unit that is capable of exchanging heat with the heat storage unit and heats the heat storage unit ,
A holding mechanism for holding the aforementioned regenerative heat exchangers in parallel,
A storage compartment for housing multiple heat storage type heat exchangers,
The system comprises a heat dissipation header that connects to the heat dissipation tubes of a plurality of the aforementioned heat storage type heat exchangers,
The regenerative heat exchanger is a regenerative heat exchange system comprising a support beam that protrudes horizontally from the holding container and whose vertically lower surface is in contact with the holding mechanism.
前記支持梁に前記蓄熱式熱交換器を搬送する機器との連結部を備える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の蓄熱式熱交換システム。 The regenerative heat exchanger is detachable from the holding mechanism,
The regenerative heat exchange system according to any one of claims 1 to 4, wherein the support beam is provided with a connection portion for equipment that transports the regenerative heat exchanger.
前記蓄熱式熱交換器の前記放熱用伝熱管が供給されるタービンと、
前記タービンに接続される発電機と、
前記加熱部に熱を供給する熱源と、を備える発電システム。 A thermal storage heat exchange system according to any one of claims 1 to 5 ,
The heat transfer tubes for heat dissipation of the aforementioned regenerative heat exchanger are supplied to a turbine,
A generator connected to the turbine,
A power generation system comprising a heat source that supplies heat to the heating section.
前記収納区画を複数備え、
複数の前記収納区画からメンテナンスする対象の区画を特定し、対象の区画以外を稼働させつつ、対象の区画のメンテナンスを行う蓄熱式熱交換システムの運転方法。 A method for operating a thermal energy storage heat exchange system according to any one of claims 1 to 5 ,
The aforementioned storage compartments are provided in multiple locations.
A method for operating a thermal energy storage heat exchange system, which involves identifying a storage compartment to be maintained from among multiple storage compartments and performing maintenance on the target compartment while operating the other compartments.
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