JP2007263011A - 動力システム - Google Patents

Abstract

【課題】大きな圧力落差に対応して、高圧から低圧に至る蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを軸出力に変換可能とするべく、蒸気発生器で発生した蒸気が流通する蒸気流路に、複数の蒸気タービンを直列配置してなる動力システムにおいて、熱効率の更なる向上を実現できる技術を提供する。
【解決手段】複数の蒸気タービン２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが、個別の出力軸を有する多軸式に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体の溶液を加熱して前記作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気が流通する蒸気流路と、前記蒸気流路に直列配置され前記蒸気により駆動する複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備とを備えた動力システムに関する。

エンジンや燃料電池などの排熱を効率良く回収して、発電機等を駆動するための軸出力を得るための動力システムとして、上記蒸気発生器において、上記エンジン等の排熱により作動流体の溶液を加熱して作動流体の蒸気を発生し、その蒸気が流通する上記蒸気流路に配置された上記蒸気タービンにおいて、その蒸気により得た軸出力により発電機等を駆動するものが知られている。（例えば、特許文献１を参照。）。

上記動力システムとしては、上記蒸気発生器及び上記蒸気タービンに加えて、蒸気タービンから排出された蒸気を冷却して溶液に復水させる復水器と、復水器から供給された溶液を蒸気発生器に供給する供給ポンプとを備えてランキンサイクルを実現するものがある。

また、作動流体として、アンモニア等の低沸点媒体と水等の高沸点媒体とを混合してなる水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を用い、更に、再生器と吸収器とを備える吸収サイクルを利用して、上記再生器において、復水器で復水した溶液から低沸点媒体を分離すると共に、上記吸収器において、再生器で分離した低沸点媒体を再度復水器で復水した溶液に吸収させて低沸点媒体が非常に多く吸収された高濃度の溶液を生成して、上記蒸気発生器に、その高濃度の溶液を供給するように構成された動力システムが知られている（例えば、特許文献２〜４を参照。）。

また、上記動力システムにおいて、蒸気流路における大きな圧力落差に対応して、高圧から低圧に至る蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを軸出力に変換するために、例えば特許文献１に記載されているように、蒸気流路に複数の段（蒸気タービン）を直列配置すると共に、それら複数の段を単一の出力軸において同軸上に連結してなる多段式の蒸気タービン設備を採用する場合がある。
また、このような多段式の蒸気タービン設備では、同軸上に連結された夫々の段についての圧力落差の配分やタービン翼形状等の各種条件は、夫々の段が同一の設定回転数で回転することを前提としている。

特開２００３−２５４０１１号公報 特開２００３−１６１１１５号公報 特開２００１−２４８４０９号公報 特開２００５−１７１８９１号公報

タービン断熱効率は速度比（周速／理論断熱速度）がおよそ０．４〜０．８で最高効率となる特性があるが、上述した従来の動力システムで大きな圧力落差に対応するべく多段式の蒸気タービン設備を採用すると、夫々の段の回転数が同一のため、夫々の段を最高の個別内部効率で作動させることができず、蒸気タービン設備全体の全内部効率も最高にはできなかった。また、この動力システムを発電用として使用する場合は、設定回転数で接続可能な発電機の容量に上限があり、回転数が高いほどその上限値は低下し、最高効率で作動できる回転数にまで設定回転数を増加させることが困難であった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大きな圧力落差に対応して、高圧から低圧に至る蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを軸出力に変換可能とするべく、蒸気発生器で発生した蒸気が流通する蒸気流路に、複数の蒸気タービンを直列配置してなる蒸気タービン設備を備えた動力システムにおいて、熱効率の更なる向上を実現できる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る動力システムは、作動流体の溶液を加熱して前記作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気が流通する蒸気流路と、前記蒸気流路に直列配置され前記蒸気により駆動する複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備とを備えた動力システムであって、その第１特徴構成は、前記複数の蒸気タービンの夫々が個別に出力軸を有して、前記蒸気タービン設備が多軸式に構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記蒸気流路に上記複数の蒸気タービンを直列配置することで、大きな圧力落差に対応して、高圧から低圧に至る蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを軸出力に変換可能としながら、上記複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備を多軸式に構成することで、それら複数の蒸気タービンの夫々を、最高の個別内部効率を発揮し得る適切な回転数で回転させて、システム全体の熱効率の更なる向上を実現することができる。

即ち、蒸気流路において比較的上流側（高圧側）に配置される蒸気タービンについては、高圧で小体積流量の蒸気が流入することから、比較的高回転数で回転させることで、個別内部効率を向上することができる。一方、蒸気流路において比較的下流側（低圧側）に配置される蒸気タービンについては、低圧で大体積流量の蒸気が流入することから、比較的低回転数で回転させることで、個別内部効率を向上することができる。
そして、このように、蒸気流路に直列配置した複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備を多軸式に構成して、例えば、複数の蒸気タービンの夫々を、蒸気流路の上流側にから下流側に至って徐々に低くなるように決定した設定回転数で回転させることで、複数の蒸気タービンの夫々に略最高の個別内部効率を発揮させることができるので、蒸気タービン設備全体の全内部効率を高くして、熱効率の更なる向上を実現することができる。

本発明に係る動力システムの第２特徴構成は、前記複数の蒸気タービンの夫々の出力軸に対して、当該出力軸により駆動して直流電力を発生する蒸気タービン用発電機を夫々備え、
夫々の前記蒸気タービン用発電機が発生した直流電力を合わせて交流電力に変換するインバータを備えた点にある。
尚、本願において、直流電力を発生する発電機は、直流電力を直接出力する整流子発電機だけではなく、交流発電機で発生した交流電力を整流器で直流電力に変換して出力するものなどのように、直流電力を発生するあらゆる形態の発電機を示す。

上記第２特徴構成によれば、複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備を多軸式に構成して、それら複数の蒸気タービンの夫々における適切な設定回転数が互いに異なる場合でも、その互いに異なる設定回転数で回転する複数の出力軸の夫々により、各別に設けられた上記蒸気タービン用発電機を夫々駆動して直流電力を発生し、それら夫々の直流電力を合算してから、上記インバータにより例えば商用電力系統に連系するべく商用電力周波数の交流電力に変換して、交流電力負荷に供給することができる。
また、夫々の蒸気タービン用発電機が直流電力を発生するものであることから、夫々の蒸気タービン用発電機の容量は小さくなってより高い回転数まで適用可能となり、その結果、夫々の蒸気タービンを、高い個別内部効率を発揮し得る適切な設定回転数を任意に設定して駆動させることができる。

本発明に係る動力システムの第３特徴構成は、前記蒸気発生器が、原動機の排熱により前記溶液を加熱するように構成され、
前記原動機の出力軸に対して、当該出力軸により駆動して直流電力を発生する原動機用発電機を備え、
前記インバータが、前記原動機用発電機が発生した直流電力も合わせて交流電力に変換するように構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、上述したように複数の蒸気タービンの夫々の軸出力により上記蒸気タービン用発電機を夫々駆動して直流電力を発生するのに加えて、上記原動機の軸出力により上記原動機用発電機を駆動して直流電力を発生する場合でも、それら夫々の直流電力を合算してから、上記インバータにより例えば商用電力系統に連系するべく商用電力周波数の交流電力に変換して、交流電力負荷に供給することができる。
また、原動機用発電機が直流電力を発生するものであることから、原動機を、高い熱効率を発揮し得る適切な設定回転数を任意に設定して駆動させることができる。

本発明に係る動力システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す動力システムは、高温排熱としてのエンジン２０（原動機の一例）から排出されるエンジン排ガスの排熱を高温排熱とし、エンジン２０を冷却するエンジン冷却水の排熱を低温排熱として、これらエンジン排ガスとエンジン冷却水とから効率良く排熱回収して、蒸気タービン設備２により軸動力を出力するサイクルを利用するように構成されている。
更に、この動力システムは、低沸点媒体としてのアンモニアと、当該アンモニアを吸収可能な高沸点媒体としての水との水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を作動流体として用いた吸収サイクルを利用するように構成されている。

そして、この動力システムは、作動流体の溶液を、排ガス管２１を通じてエンジン２０から供給された排ガスとの熱交換により加熱して作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器１、蒸気発生器１から蒸気流路を構成する蒸気供給管１１を通じて供給された蒸気により駆動する蒸気タービン設備２、蒸気タービン設備２から排出され蒸気排出管１２を通じて供給された蒸気を冷却水との熱交換により冷却して溶液に復水させる復水器３と、復水器３から供給された溶液を、配管１５を通じて蒸気発生器１に供給する供給ポンプ１６との順に、この作動流体を循環させる動力サイクル回路１０を備えて構成されている。

更に、蒸気タービン設備２は、蒸気供給管１１において直列配置された４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなり、この構成により、蒸気タービン設備２の最上流側に流入する高圧蒸気から、蒸気タービン設備２の最下流側の低圧蒸気に至って、蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを、夫々の蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの夫々の軸出力に変換可能となる。

更に、これら４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、個別の出力軸を有する多軸式に構成されており、この構成により、それら４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの夫々を、最高の個別内部効率を発揮し得る適切な回転数で個別に回転させることができるので、本システム全体の熱効率の更なる向上が実現されている。

即ち、蒸気タービン２ａ，２ｂについては、蒸気供給管１１において比較的高圧且つ小体積流量の蒸気が流通する領域に配置されていることから、比較的高回転数で回転させて、高い個別内部効率が実現されている。

一方、蒸気タービン２ｃ，２ｄについては、蒸気供給管１１において比較的低圧且つ大体積流量の蒸気が流通する領域に配置されていることから、比較的低回転数で回転させて、高い個別内部効率が実現されている。

このように蒸気供給管１１に直列配置した４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなる蒸気タービン設備２を多軸式に構成して、４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの夫々を、蒸気供給管１１の上流側にから下流側に至って徐々に低くなるように決定した設定回転数で回転させることで、夫々の蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは略最高の個別内部効率を発揮することになるので、蒸気タービン設備２全体の全内部効率が高くなり、本システムの全体の熱効率の更なる向上が実現されているのである。

また、上記エンジン２０の出力軸に対しては、当該出力軸により駆動して直流電力を発生するエンジン用発電機３０（原動機用発電機の一例）が設けられており、一方、上記４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの夫々の出力軸に対しても、当該出力軸により駆動して直流電力を発生する蒸気タービン用発電機４０が夫々設けられている。
そして、エンジン駆動用発電機３０が発生した直流電力、及び、夫々の蒸気タービン用発電機４０が発生した直流電力を合算してから、商用電力系統４７に連系するべく商用電力周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力に変換するインバータ４５が設けられており、このインバータ４５が出力した交流電力が、電気機器などの交流負荷に供給される。
尚、インバータ４５に入力される直流電力の電圧を調整するために、インバータの入力側に直流−直流コンバータを設けても構わない。

また、直流電力を発生する上記エンジン用発電機３０及び上記蒸気タービン用発電機４０は、軸出力により駆動して交流電力を発生する交流発電機３１，４１と、その交流発電機３１，４１が発生した交流電力を直流電力に変換する整流器３３とから構成されている。尚、このように交流発電機３１，４１と整流器３３とを組み合わせたものの変わりに、直流電力を直接発生する整流子発電機を設けたり、別の形態で直流電力を発生する発電機を設けても構わない。

動力サイクル回路１０において、復水器３には、例えば、クーリングタワー等で空冷された冷却水が冷熱源として通流する冷却管３ａが配設され、その冷却管３ａ内に、冷却水が通流することにより、蒸気及び溶液と冷却水との間の熱交換が行われ、蒸気が凝縮して溶液に混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水により奪われる。

また、復水器３からポンプ１４により配管１７を通じて作動流体の溶液が供給され、エンジン冷却水との熱交換により、その作動流体の溶液を加熱して作動流体から低沸点媒体であるアンモニアの蒸気を分離する再生器４が設けられている。
この再生器４には、エンジン冷却水が通流する加熱管４ａが配設され、その加熱管４ａ内に、エンジン２０との間でポンプ２３により循環されるエンジン冷却水を通流させることにより、作動流体の溶液とエンジン冷却水との熱交換が行われる。

この再生器４でアンモニア蒸気が分離された後の比較的アンモニア濃度が低い作動流体の溶液は、配管１８を通じて復水器３に戻されて、蒸気タービン設備２から供給された蒸気を吸収した後に再び再生器４に供給される。

また、復水器３から配管１３を通じて供給された作動流体の溶液に、再生器４から配管１８を通じて供給されたアンモニアの蒸気を吸収させ、アンモニア濃度が非常に高い作動流体の溶液を生成する吸収器５が設けられている。
そして、この吸収器５で生成された高濃度の作動流体の溶液が、供給ポンプ１６により配管１５を通じて蒸気発生器１に供給される。

復水器３から再生器４に供給される作動流体の溶液が通流する配管１７と、再生器４から復水器３に供給される作動流体の溶液が通流する配管１８との間で熱交換を行う熱交換器６が設けられている。
即ち、この熱交換器６により、配管１８内を通流し再生器４でエンジン冷却水により加熱されて比較的高温となった溶液と、復水器３で冷却水により冷却され比較的低温となった溶液との熱交換を行って、再生器４における加熱効率、及び、復水器３における冷却効率を向上させることができる。

更に、蒸気タービン設備２から排出された蒸気との熱交換により、温水を生成する熱交換器８が設けられており、この熱交換器８で生成された温水は給湯用や暖房用の温水として利用することができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、蒸気タービン設備２を蒸気供給管１１において４つの蒸気タービン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを直列配置して構成したが、本発明において蒸気タービン設備における蒸気タービンの数は４つに限定されるものではなく、４以外の複数の蒸気タービンを直列配置することができる。
また、それら直列配置された夫々の蒸気タービンについては、単段式及び多段式の何れであっても構わない。

（２）上記実施の形態では、吸収器５において、復水器３から蒸気発生器１に供給される作動流体の溶液に、再生器４から供給されたアンモニアである低沸点媒体の蒸気を吸収させる所謂吸収サイクルを利用するように構成したが、別に、これら吸収サイクルを利用するための構成を省略して、復水器３で復水された作動流体の溶液を蒸気発生器１に直接供給するように構成しても構わない。
また、作動流体としては、水−アンモニア系の非共沸混合媒体を用いたが、別に、水又はアンモニアなどの一種の作動流体を用いるように構成しても構わない。

（３）上記実施の形態では、エンジン２０の排熱を蒸気発生器１の熱源として利用したが、例えばガスタービンや燃料電池などの別の形態の原動機の排熱を蒸気発生器１等の熱源として利用しても構わない。
また、蒸気発生器１の熱源として、ボイラなどの原動機とは異なる熱源機の排熱を利用しても構わない。

（４）上記実施の形態では、エンジン駆動用発電機３０で発生した直流電力をインバータ４５で交流電力に変換して交流負荷４６に供給するように構成したが、別に、エンジン駆動用発電機３０を交流発電機で構成し、その交流発電機が発生した交流電力を直接交流負荷に供給するように構成しても構わない。尚、この場合には、その交流発電機が、商用電力系統４７に連系するべく商用電力周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力を発生するように、エンジン２０の回転数を制御することができる。
また、蒸気タービン設備２やエンジン２０が出力する軸出力を、発電機を駆動するために利用することなく、別の用途に利用しても構わない。

本発明に係る動力システムは、大きな圧力落差に対応して、高圧から低圧に至る蒸気の持つ熱エネルギのできるだけ多くを軸出力に変換可能とするべく、蒸気発生器で発生した蒸気が流通する蒸気流路に、複数の蒸気タービンを直列配置してなる蒸気タービン設備を備え、熱効率の更なる向上を実現できる動力システムとして有効に利用可能である。

動力システムの概略構成図

符号の説明

１：蒸気発生器
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ：蒸気タービン
３：復水器
４：再生器
５：吸収器
１０：動力サイクル回路
１６：供給ポンプ
３０：エンジン用発電機（原動機用発電機）
４０：蒸気タービン用発電機
４５：インバータ

Claims (3)

1. 作動流体の溶液を加熱して前記作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気が流通する蒸気流路と、前記蒸気流路に直列配置され前記蒸気により駆動する複数の蒸気タービンからなる蒸気タービン設備とを備えた動力システムであって、
   前記複数の蒸気タービンの夫々が個別に出力軸を有して、前記蒸気タービン設備が多軸式に構成されている動力システム。
2. 前記複数の蒸気タービンの夫々の出力軸に対して、当該出力軸により駆動して直流電力を発生する蒸気タービン用発電機を夫々備え、
   夫々の前記蒸気タービン用発電機が発生した直流電力を合わせて交流電力に変換するインバータを備えた請求項１に記載の動力システム。
3. 前記蒸気発生器が、原動機の排熱により前記溶液を加熱するように構成され、
   前記原動機の出力軸に対して、当該出力軸により駆動して直流電力を発生する原動機用発電機を備え、
   前記インバータが、前記原動機用発電機が発生した直流電力も合わせて交流電力に変換するように構成されている請求項２に記載の動力システム。

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