JP2004108220A - ボトミングサイクル発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液相で低圧・低温の状態1の作動流体を液相で高圧の状態2に昇圧するターボポンプと、状態2の作動流体を昇温して気相で高圧・高温の状態3にする加熱用交換器と、ターボポンプと同軸に連結され、状態3の作動流体を膨張して低圧の状態4にするタービンと、状態4の作動流体を降温して状態1の作動流体にする放熱用熱交換器と、ターボポンプと同軸に連結され発電を行なう発電機とを具備するボトミングサイクル発電システムを用いる。これらは密閉容器内に設置されている。ここで、加熱用熱交換器は100〜500℃の排ガスや液体の熱により状態2の液体を状態3の気体にまで昇温する。タービンは、状態3の作動流体が状態4まで膨張する際、仕事をされて回転し、この動力でターボポンプと発電機とを駆動して発電を行う。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンやガスタービンのサイクルにて動力を得た後の排熱、あるいは、各種プラントで工業的に有益な仕事をなした後の排熱を利用して、発電を行うボトミングサイクル発電システムに関し、特に、100℃〜500℃の排熱から熱を回収して発電を行なうボトミングサイクル発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
発電に用いられる熱サイクルの1つとして、ランキンサクルが知られている。このサイクルを発電所に用いた例について、図2及び図3を参照して説明する。
図2は、従来技術の発電所の構成を示す図である。ボイラ102、復水器103、給水ポンプ104、過熱器105、発電機108、タービン109及び配管110−1〜110−3である。
また、図3は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ(P−v線図)である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
【0003】
作動流体が水(蒸気)の場合、ボイラ102(及び過熱器105)から送られた過熱蒸気(図3:3)をタービン109で断熱膨張させ仕事を得る過程(図3:c、発電機108は、この仕事を用いて発電を行なう)、排出された湿り蒸気(図3:4)を復水器103で等圧冷却して飽和水にする過程(図3:d)、飽和水(図3:1)を給水ポンプ104で断熱圧縮して加圧水にする過程(図3:a)、加圧水(図3:2)をボイラ102(及び過熱器105)に押し込み、等圧加熱、蒸発、過熱して、再びもとの過熱蒸気(図3:3)とする過程(図3:b)、から構成される。このサイクルでは、液体を圧縮するので、圧縮動力が小さくて済むという利点があり、その改良したサイクルが蒸気タービンに用いられている。
【0004】
図2において、給水ポンプ104をターボポンプにし、タービン109と同軸に設置することにより、圧縮と膨張とを一体で行ない、効率を高める技術が知られている。しかし、給水ポンプ104とタービン109とが一体となったもの(以下「ポンプタービンシステム」という)と、発電機108とは、ギアなどを介して結合している。その場合、ポンプタービンシステムと発電機109とは、別々の容器(ケーシング)に収納される。そして、それらケーシングは、回転軸で連結されている。従って、ケーシングから回転軸が出る箇所では、作動流体の漏れを防止するシールが必要である。特に、作動流体が水ではなく、外部に漏れることが好ましくないと考えられているものの場合、非常に高性能なシールを用いることが必要となる。また、発電機として、効率の高い高速回転仕様のものを用いる場合、長期間安定的に働くシールを用意することは難しい。これらは、高コストの要因になる。従って、作動流体を外部に漏らさず、且つシールを容易に行なえることが望ましい。
【0005】
また、ポンプタービンシステムと発電機108とは別々のため、それらを設置するスペースが大きくなる。しかし、建造物付属のオンサイトの発電システムを考える場合、地下等の限られたスペースを用いることが多い。従って、発電システムの占有するスペースを小さくして設置できることが望ましい。
【0006】
一方、マイクロガスタービンの排気(250〜300℃)や、ガスエンジンの排気(100〜500℃)のような中低温の排気から熱を回収する場合、従来技術では、水との熱交換により温水を生成する。温水は、吸収冷凍機や給湯システム等に用いられる。しかし、温水の場合、用途が限定されるため、必ずしも有効に使用されるとは限らない。従って、電気のような汎用性の高いエネルギーに変換できることが好ましい。
【0007】
発電システムにおける作動流体を外部に漏れないようにする技術が求められている。高速回転の発電機を用いても作動流体に関するシールの問題が無い技術が求められている。発電システムを省スペースでコンパクトにする技術が望まれている。低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能な技術が望まれている。
【0008】
関連する技術として、三菱重工技報(非特許文献1参照)に、中・低温の排熱回収システムの技術が開示されている。ここでは、水蒸気方式、熱水方式、低沸点媒体方式で中・低温の排熱回収を行う技術が示されている。
【0009】
【非特許文献1】真武幸一郎、外5名、中・低温及び冷熱源排熱回収発電システム、三菱重工報、三菱重工業株式会社、1980年11月、Vol.17、No.6、p.898−909
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、中低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【0011】
また、本発明の他の目的は、発電に用いられる作動流体を外部に漏れないようにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【0012】
本発明の更に他の目的は、高速回転の発電機を用いても、作動流体に関するシールの問題の無いボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【0013】
本発明の別の目的としては、発電システムを省スペースでコンパクトにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【0014】
本発明の更に別の目的としては、メンテナンスの回数を削減し、そのコストを低減することが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0016】
従って、上記課題を解決するために、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ(4)と、加熱用交換器(2)と、タービン(9)と、発電機(8)と、放熱用熱交換器(3)とを具備する。ターボポンプ(4)は、液相かつ低圧・低温の第1状態であるの作動流体を昇圧して、液相で高圧の第2状態にする。加熱用熱交換器(2)は、その第2状態の作動流体を昇温して、気相で高圧・高温の第3状態にする。タービン(9)は、ターボポンプ(4)と同軸に連結され、その第3状態の作動流体を膨張して低圧の第4状態にする。放熱用熱交換器(3)は、その第4状態の作動流体を降温して、その第1状態にする。発電機(8)は、ターボポンプ(4)と同軸に連結され、発電を行なう。ここで、タービン(9)は、その第3状態の作動流体が第4状態まで膨張する際、その作動流体により仕事をされて回転する。そして、タービン(9)は、その回転の動力にてターボポンプ(4)と、発電機(8)とを駆動することにより発電を行う。
ここで、加熱用熱交換器(2)は、高温排ガスや高温液体の熱により第2状態の液体を第3状態の気体にまで昇温する。放熱用熱交換器(3)は、常温の水などの液体や常温の大気により第4状態の作動流体を第1状態の液体にまで降温する。
【0017】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ(4)が、竪方向に設置された主軸(13)を有する。そして、発電機(8)及びタービン(9)は、主軸(13)に連結されている。
【0018】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン(9)、発電機(8)及びターボポンプ(4)が、この順に上方から主軸(13)に連結されている。
【0019】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ(4)と発電機(8)との間に、気液シール(5)が配設されている。
【0020】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン(9)、発電機(8)及びターボポンプ(4)が、密閉容器(1)に収納されている。
【0021】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その作動流体が、圧縮性熱媒体である。
【0022】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その圧縮性熱媒体が、代替フロンである。
【0023】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、加熱用熱交換器(2)が、100℃以上、500℃以下の高温排ガス又は高温液体を用いる。
【0024】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、往復動エンジン、ボイラ及びガスタービンの少なくとも1つより排出される。
ここで、往復運動エンジンは、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関に例示される。
【0025】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、地熱、プラント排熱の少なくとも1つである。
【0026】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン(9)、発電機(8)及びターボポンプ(4)が連結されている主軸(13)は、気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受け(7)で回転自在に保持される。
【0027】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムはタービン(9)、発電機(8)及びターボポンプ(4)が連結されている主軸(13)は、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受け(7)で回転自在に保持される。
【0028】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン(9)、発電機(8)及びターボポンプ(4)が連結されている主軸(13)は、熱媒体を冷却剤とする転がり軸受け(7)を介して回転自在に保持される。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【0030】
先ず、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を説明する。
図1は、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
ボトミングサイクル発電システムは、容器1、蒸発器2、ラジエタ3、ポンプ4、スラストベアリング6、媒体ガスベアリング7(−1〜2)、発電機8、タービン9、配管10(−1〜4)、ラジエタ配管11(−1〜2)、蒸発器配管12(−1〜2)、主軸13を具備する。
【0031】
容器1は、ポンプ4、発電機8、タービン9及び関連機器を納めている。外部に作動流体がリークしないように、配管10の接合部以外は密閉されている。そして、容器1、配管10の各々、蒸発器2及びラジエタ3において、作動流体がリークしないように、密閉系を形成している。
【0032】
加熱用交換器としての蒸発器2は、熱交換器である。熱交換器の高温側に供給されるものは、蒸発器配管12−1経由で供給される加熱用の液体やガスである。低温熱交側に供給されるものは、配管10−2経由で供給される作動流体としての液相で高圧の第2状態としての状態2の作動流体である。そして、作動流体は、加熱用の液体やガスと熱交換を行ない、昇温されて気化され、気相で高圧・高温の第3状態としての状態3の作動流体となる。状態3の作動流体は、配管10−3へ送出される。
【0033】
ここで、作動流体は、代替フロンに例示される熱媒体である。ランキンサイクルを100℃〜400℃の温度範囲で実行可能な材料であれば良い。また、加熱用の液体やガスは、マイクロガスタービンの排気やエンジンの排気、ボイラの排気に例示される高温の流体(液体、気体)である。熱媒体の温度は、200〜500℃である。
【0034】
タービン9は、配管10−3経由で供給される気相で高圧・高温の状態3の作動流体を断熱膨張させて、そのとき仕事を得る。その仕事により、タービン9が回転し、その回転により主軸13が回転する。そして、状態3の作動流体は、低圧の第4状態としての状態4の作動流体となる。タービン9は、ポンプ4及び発電機8と主軸13を介して同軸に連結されている(一体化されている)。低圧の状態4の作動流体は、配管10−4へ送出される。主軸13は、タービンにおける主軸となっている。
【0035】
放熱用熱交換器としてのラジエタ3は、熱交換器である。熱交換器の低温側に供給されるものは、ラジエタ配管11−1経由で供給される海水や冷却塔にて冷却された水や大気などのラジエタ用の熱媒体である。熱交換器の高温側に供給されるものは、配管10−4経由で供給される低圧の状態4の作動流体である。そして、状態4の作動流体は、ラジエタ用の熱媒体と熱交換を行ない、等圧で冷却されて液化され、第1状態としての状態1の作動流体となる。状態1の作動流体は、配管10−1へ送出される。
【0036】
ここで、ラジエタ用の熱媒体は、空気や水に例示される低温の流体(液体、気体)である。熱媒体の温度は、第1状態としての状態1の作動流体の温度よりも低い温度である。そして、作動流体の流動性に問題を起こさない範囲で、より低い温度であることが好ましい。
【0037】
ポンプ4は、主軸13を介して伝達されたタービン9の回転により回転するターボポンプである。配管10−1経由で供給される液相かつ低圧・低温の状態1の作動流体を加圧して、液相で高圧の第2状態としての状態2の作動流体とする。状態2の作動流体は、加熱用熱交換器2へ送出される。主軸13を竪方向(鉛直方向)にして設置され、タービン9及び発電機8と主軸13を介して同軸に連結されている(一体化されている)。主軸13は、ターボポンプにおける主軸となっている。
【0038】
発電機8は、ポンプ4とタービン9と主軸13を介して同軸に連結し一体化され、主軸13を介して伝達されたタービン9の回転により回転し、発電を行なう。発電機8は、同期発電機や誘導発電機に例示される。タービン9及びポンプ4と主軸13を介して同軸に連結されている(一体化されている)。主軸13は、発電機8における回転子の回転軸となっている。発電機8の回転数は、通常の発電装置で使われる3000rpmや3600rpmを用いることができる。ただし、これ以上の回転数のものが好ましい。
【0039】
主軸13は、ポンプ4、タービン9及び発電機8のそれぞれの回転軸(主軸)を一体化させた、回転のための一つの軸である。ポンプ4、タービン9及び発電機8が連結され一体化し、タービン9の回転をポンプ4及び発電機8へ伝達する。
【0040】
固定された円盤状の部材5aと5bと回転する円盤状の部材5cから構成されるスラストベアリング6は、主軸13方向(竪方向、鉛直方向)の負荷(荷重)を支え、且つ、主軸13の回転のための軸受である。また、ポンプ4に供給される液体の状態1の作動流体、及びポンプ4で生成される液体の状態2の作動流体が、スラストベアリング6の上部の発電機8側へリークしないための気液シールの機能も有する。気液シール機能のみを持たせることも可能である。その場合、スラストベアリング6は気液シールとなり、他のスラストベアリングを気液シールよりも発電機8側に追加する。
【0041】
スラストベアリング6は、主軸13方向(竪方向、鉛直方向)の負荷(荷重)を支え、且つ、主軸13の回転のための軸受である。
【0042】
媒体ガスベアリング7(−1〜2)は、発電機8部分の主軸13の回転を支える軸受けである。気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受けである。ただし、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受けや熱媒体を冷却剤とする転がり軸受けを用いることも可能である。
【0043】
配管10−1は、一端部をラジエタ3の高温熱交側に、他端部をポンプ4に開放されて接続している。配管10−2は、一端部をポンプ4に、他端部を蒸発器2の高温熱交側に開放されて接続している。配管10−3は、一端部を蒸発器2の高温熱交側に、他端部をタービン9に開放されて接続している。配管10−4は、一端部をタービン9に、他端部をラジエタ3の高温熱交側に開放されて接続している。
蒸発器配管12−1〜2は、蒸発器2の低温熱交側に開放されて接続している。ラジエタ配管11−1〜2は、ラジエタ3の低温熱交側に開放されて接続している。
【0044】
上記の構成により、密閉された容器1内において、タービン9とポンプ4との間に同軸に発電機8が組み込まれ一体化しているので、従来のシステムのようにタービン9と外気、ポンプ4と外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機を含めてこれら3つの構成要素を一まとめにして密閉することで、作動流体のリークを確実に防止することが可能となる。
【0045】
また、ポンプ4の設置を竪型(主軸13の方向が鉛直方向)とし、スラストベアリング6に気液シール機能を持たせている。そうすることにより、作動流体(液体)が発電機8やタービン9の側へ向かうことを安定的に防止することが可能となる。
【0046】
次に、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における動作を、図1及び図3を参照して説明する。ただし、図3は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ(P−v線図)である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
ここでは、作動流体として代替フロン、加熱用の熱媒体としてガスタービンの排気、ラジエタ用の熱媒体として空気を用いる場合を例として説明する。
【0047】
(1)代替フロンは、配管10−1を介してラジエタ3からポンプ4へ供給される。このときの代替フロンの状態は、図3における「状態1」であり、液体である。ここでは、代替フロンは約50℃である。
(2)ポンプ4は、「状態1」の代替フロンを、圧縮する。この過程は、図3における「a」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図3における「状態2」となり、液体である。
(3)「状態2」の代替フロンは、配管10−2を介してポンプ4から蒸発器2へ供給される。
(4)蒸発器2は、「状態2」の代替フロンを、マイクロガスタービンの燃焼ガスの排熱(250℃)により等圧加熱、蒸発、過熱する。この過程は、図3における「b」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図3における「状態3」となり、気体となる。ここでは、代替フロンは約200℃である。
(5)「状態3」の代替フロンは、配管10−3を介して蒸発器2からタービン9へ供給される。
(6)タービン9は、「状態3」の代替フロンを断熱膨張させることにより、仕事を得る(発電機8は、この仕事を用いて発電を行なう)。この過程は、図3における「c」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図3における「状態4」となり、気体または湿り蒸気である。ここでは、代替フロンの仕事により、タービン9の回転数が数千〜数万rpmとなる。発電機8は、この回転のエネルギーを用いて発電を行なう。
(7)「状態4」の状態の代替フロンは、配管10−4を介してタービン9からラジエタ3へ供給される。
(8)ラジエタ4は、「状態4」の代替フロンを、外気(空気、約20℃)により等圧冷却する。この過程は、図3における「d」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図3における「状態1」となり、液体となる。
そして、上記(1)〜(8)の過程が繰り返される。
【0048】
ただし、「状態1」の代替フロンは、液相かつ低圧・低温である。「状態2」の代替フロンは液相かつ高圧である。「状態3」の代替フロンは、気相で高圧・高温である。「状態4」の代替フロンは、低圧で気相または湿り蒸気である。
【0049】
上記ボトミングサイクル発電システムにより、マイクロガスタービンやエンジン、ボイラ等の排気のような低温(100〜500℃)の排熱を、代替フロンのような熱媒体に回収して、この熱媒体を用いて高速発電機により発電を行なうことが可能となる。すなわち、ボトミングサイクル発電システムにより、低温の排熱を回収し、電力のような汎用性の高いエネルギーに変換することができる。
【0050】
そして、ボトミングサイクル発電システムをマイクロガスタービンやエンジン、ボイラを用いた発電装置と組み合わせることにより、それらの発電装置の効率を向上させることが出来る。それと同時に、取り出すことが出来る電力量を増加させることが可能となる。
【0051】
また、本発明では、容器1内において、タービン9とポンプ4との間に同軸に発電機8が組み込まれ一体化しているので、タービン9及びポンプ4と外気との間にシールを行なう必要が無く、作動流体(液体)が外部に漏れない構造になっている。従って、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することが出来る。
【0052】
タービン9、ポンプ4及び発電機8を一体化していること、及びそれらを竪型に配置していることで、設備の大きさがコンパクトになり、設置スペースが小さくて済む。すなわち、オンサイトでの設置をより簡単に実施でき、設置コストや設置スペースにかかるコストを低減することができる。
【0053】
本実施例では、ランキンサイクルを用いているが、ランキンサイクルを応用した再生サイクルや再熱サイクルを用いることも可能である。
【0054】
【発明の効果】
本発明により、作動流体を外部に漏らさぬようにしながら、低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図2】従来技術の発電所の構成を示す図である。
【図3】ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ(P−v線図)である。
【符号の説明】
1 密閉容器
2 蒸発器
3 ラジエタ
4 ポンプ
5(a、b、c) 部材
6 スラストベアリング
7(−1〜2) 媒体ガスベアリング
8 発電機
9 タービン
10(−1〜4) 配管
11(−1〜2) ラジエタ配管
12(−1〜2) 蒸発器配管
13 主軸
Claims (13)
- 液相で低圧、低温の第1状態である作動流体を昇圧して、液相で高圧の第2状態にするターボポンプと、
前記第2状態の前記作動流体を昇温して、気相で高圧、高温の第3状態にする加熱用交換器と、
前記ターボポンプと同軸に連結され、前記第3状態の前記作動流体を膨張して低圧の第4状態にするタービンと、
前記第4状態の前記作動流体を降温して、前記第1状態にする放熱用熱交換器と、
前記ターボポンプと同軸に連結され、発電を行う発電機と、
を具備し、
前記タービンは、第3状態の前記作動流体が第4状態まで膨張する際、前記作動流体により仕事をされて回転し、前記回転の動力にて前記ターボポンプと、前記発電機とを駆動することにより発電を行う、
ボトミングサイクル発電システム。 - 前記ターボポンプは、竪方向に設置された主軸を有し、前記発電機及び前記タービンは、前記主軸に連結されている、
請求項1に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプは、この順に上方から前記主軸に連結されている、
請求項1又は2に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記ターボポンプと前記発電機との間に、気液シールが配設されている、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプは、密閉容器に収納されている、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記作動流体は、圧縮性熱媒体である、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記圧縮性熱媒体は、代替フロンである、
請求項6に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記加熱用熱交換器は、100℃以上、500℃以下の高温排ガス又は高温液体を用いる、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記高温排ガス又は前記高温液体は、往復動エンジン、ボイラ及びガスタービンの少なくとも1つより排出される、
請求項8に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記高温排ガス又は前記高温液体は、地熱、プラント排熱の少なくとも1つである、
請求項8に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプが連結されている前記主軸は、気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受けで回転自在に保持される、
請求項2乃至10のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプが連結されている前記主軸は、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受けで回転自在に保持される、請求項2乃至10のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。
- 前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプが連結されている前記主軸は、熱媒体を冷却剤とする転がり軸受けを介して回転自在に保持される、
請求項2乃至10のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。
Priority Applications (1)
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