JP2008267341A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上させる廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】廃熱回収装置の高温側ランキンサイクルは、第１の作動流体を気化する第１の気化手段と、気化した第１の作動流体により駆動される第１のタービンと、第１のタービンに対して仕事を行った後の第１の作動流体を液化させる第１の復水器と、液化した第１の作動流体を昇圧し、第１の復水器から第１の気化手段に向けて供給する第１の昇圧手段とを有する。低温側ランキンサイクルは、第１の作動流体よりも低沸点の第２の作動流体を高温側ランキンサイクルの第１の復水器の冷却媒体として使用して、第２の作動流体を気化する第２の気化手段と、気化した第２の作動流体により駆動される第２のタービンと、第２のタービンに対して仕事を行った後の第２の作動流体を液化させる第２の復水器と、液化した第２の作動流体を昇圧し、第２の復水器から第２の気化手段に向けて昇圧する第２の昇圧手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用して機関廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

蒸気タービンの駆動力により発電を行う発電システム（蒸気動力プラント）では、ボイラの熱駆動力を利用するとともに、ボイラ排ガスから廃熱を回収することにより蒸気タービンを駆動させている。このような発電システムでは、廃熱回収手段としてランキンサイクル、再生サイクル、再熱再生サイクルなどの種々の熱サイクルシステムが利用されている。

例えば、特許文献１では、低温の熱源から廃熱を回収するためにランキンサイクルシステムを利用することが提案されている。このランキンサイクルシステムでは、低沸点の作動流体を利用して低温の熱源から出てくる廃熱を回収するようにしている。
特開２００２−１６１７１６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来のランキンサイクルシステムにおいては、低温の熱源から出てくる廃熱を回収するのみに限られており、ランキンサイクル内で復水器において冷却媒体に移行した熱はそのままランキンサイクルの系外に捨てられているため、システム全体として見た場合に発電効率が低い。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、従来システムよりも発電効率を更に向上させることができる廃熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明に係る廃熱回収装置は、高温側ランキンサイクルと低温側ランキンサイクルを有し、タービン出力を得るとともに前記ランキンサイクル内で発生する機関廃熱を回収する廃熱回収装置において、
前記高温側ランキンサイクルは、第１の作動流体Ａを気化するための熱源を有する第１の気化手段と、気化した第１の作動流体Ａにより駆動される第１のタービンと、前記第１のタービンに対して仕事を行った後の第１の作動流体Ａを液化させる第１の復水器と、
液化した第１の作動流体Ａを昇圧し、前記第１の復水器から前記第１の気化手段に向けて供給する第１の昇圧手段と、を具備し、
前記低温側ランキンサイクルは、前記第１の作動流体Ａよりも低沸点の第２の作動流体Ｂを前記高温側ランキンサイクルの第１の復水器の冷却媒体として使用することにより、前記第２の作動流体Ｂを気化する第２の気化手段と、気化した第２の作動流体Ｂにより駆動される第２のタービンと、前記第２のタービンに対して仕事を行った後の第２の作動流体Ｂを液化させる第２の復水器と、液化した第２の作動流体Ｂを昇圧し、前記第２の復水器から前記第２の気化手段に向けて昇圧する第２の昇圧手段と、を具備することを特徴とする。

上記の廃熱回収装置は、低温側ランキンサイクルに接続され、低温側ランキンサイクルよりも更に低温で作動する第３ランキンサイクルをさらに有することができる。この第３のランキンサイクルは、前記第２の作動流体Ｂよりも低沸点の第３の作動流体Ｃを前記低温側ランキンサイクルの第２の復水器の冷却媒体として使用することにより、前記第３の作動流体Ｃを気化する第３の気化手段と、気化した第３の作動流体Ｃにより駆動される第３のタービンと、前記第３のタービンに対して仕事を行った後の第３の作動流体Ｃを液化させる第３の復水器と、液化した第３の作動流体Ｃを昇圧し、前記第３の復水器から前記第３の気化手段に向けて供給する第３の昇圧手段と、を有する。このように低温側に複数のランキンサイクルを接続する多段のシステムを構築することにより、発電効率をさらに向上させることができる。

上記の廃熱回収装置において、前記第２の気化手段の内部圧力の上昇により前記第２の作動流体Ｂの沸点が上昇するのを抑制するための圧力調整手段をさらに有することが望ましい。このような圧力調整手段として、第２の復水器への冷却媒体（例えば冷却水）の供給流量を調整する制御手段を用いることができる。制御手段により冷媒供給源出口側の流量制御弁の動作を制御し、冷媒供給源から第２の復水器へ供給される冷却媒体の流量を調整すると、第２の気化手段の内部圧力の上昇が抑えられ、その結果として第２の作動流体Ｂの沸点の上昇が抑制される。

本発明では、第１の作動流体Ａにより発電を行う高温側ランキンサイクルと、第１の作動流体Ａよりも低沸点の第２の作動流体Ｂにより発電を行う低温側ランキンサイクルを第１の復水器により接続した発電システムを構成する。第１の気化手段としてのボイラを用いて第１の作動流体Ａを気化させ、第１のタービンを回転させて発電機で発電する。第１のタービンに対して仕事を行った後の第１の作動流体Ａ（気相）は第１の復水器により液化させる。第１の復水器の冷却媒体としての第２の作動流体Ｂは、第１の作動流体Ａから受け取った熱により気化し、第２のタービンに対して仕事を行い、第２のタービンに連結された発電機において発電する。

本発明によれば、第１の復水器を、高温側ランキンサイクルの第１の作動流体の液化手段として用い、かつ低温側ランキンサイクルの第２の作動流体の気化手段として用いることにより、系外に捨てられていた熱を再利用することができるようになる。このように復水器から系外に捨てていた熱を回収することにより、ランキンサイクルにおける熱利用が改善され、発電効率が向上する。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１を参照して第１の実施の形態に係る廃熱回収装置について説明する。

第１実施形態の廃熱回収装置１は、蒸気発電プラントに用いられる発電システムであり、高温側発電ユニットとして高温側ランキンサイクル７を有し、低温側発電ユニットとして低温側ランキンサイクル８を有している。

高温側ランキンサイクル７は、第１の作動流体Ａとして水を用いるものであり、第１の気化手段としてのボイラ６、第１のタービン２、第１の発電機３、第１の復水器４、第１の昇圧手段としてのポンプ５を配管ラインＬ１，Ｌ２でループ状に閉じた循環回路である。

ボイラ６は、燃焼バーナー加熱方式のボイラである。ボイラ６の入口側はラインＬ２を介してポンプ５と図示しない水供給源にそれぞれ接続され、ポンプ５によって復水器４から凝縮した水が所定の圧力で返戻される一方で、保守点検時などにおいて水供給源から新たに水が補給されるようになっている。ボイラ６の出口側はラインＬ１を介してタービン２と図示しない排水タンクにそれぞれ接続され、タービン２に高温の過飽和水蒸気を送る一方で、保守点検時などにおいて劣化した水が排水タンクに抜き取られるようになっている。

タービン２は、発電機３の回転軸に連結された主軸を有する蒸気タービンである。過飽和水蒸気がタービン２に送られると、タービン２の主軸と同期して発電機３の回転軸が回転し、発電機３で発電された電流が図示しないインバータに送られ、インバータで所定の周波数に周波数調整されることにより交流電流が得られるようになっている。

第１の復水器４は、作動流体Ａの入口側がラインＬ１を介してタービン２に接続され、出口側がラインＬ２を介してポンプ５に接続されている。復水器４の内部には蛇行して往復する冷却流路が設けられている。冷却流路は、低温側ランキンサイクル８のラインＬ３，Ｌ４に連通し、低温側ランキンサイクル８の一部をなすものである。この冷却流路には後述する第２の作動流体Ｂが通流するようになっている。第１の作動流体Ａの気相（蒸気）は復水器４内で冷却・凝縮して液相（水）となり、ポンプ５によってボイラ６に向けて圧送される。

低温側ランキンサイクル８は、第２の気化手段としての復水器４、第２のタービン１２、第２の発電機１３、第２の復水器１４、第２の昇圧手段としてのポンプ１５を配管ラインＬ３，Ｌ４でループ状に閉じた循環回路である。低温側ランキンサイクル８は、高温側ランキンサイクル７によって廃熱回収された後の比較的低温の排気ガスの熱を回収可能とすべく、第２の作動流体Ｂとして第１の作動流体Ａよりも低い沸点を有する流体を用いる。通常、タービン２には蒸気タービンを用いるため第１の作動流体Ａには水を使用し、第２の作動流体Ｂとして次の３つの条件のうち少なくとも１つを満たす流体を使用する。

１）水に比べて気化の潜熱が小さいこと
２）水に比べて液相での比熱が大きいこと
３）温度エントロピ状態図（Ｔ-ｓ線図）上の乾き飽和蒸気線のエントロピ変化が水蒸気に比べて小さい「等エントロピタイプ」の飽和蒸気特性を有していること
上記の条件を備えた作動流体Ｂとしてフロンまたは代替フロンを用いることができる。具体的には第２の作動流体Ｂとして、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、アンモニア水などを用いることができる。

第２の復水器１４は、作動流体Ｂの入口側がラインＬ３を介してタービン１２に接続され、出口側がラインＬ４を介してポンプ１５に接続されている。第２の復水器１４の内部には蛇行して往復する冷却流路が設けられている。冷却流路は、ラインＬ５，Ｌ６を介して冷却水供給源３１に連通し、ループ状に閉じた循環回路を形成している。この冷却流路には室温（例えば２３℃）の冷却水が通流するようになっている。第２の作動流体Ｂの気相は復水器４内で冷却・凝縮して液相となり、ポンプ１５によって第２の気化手段（第１の復水器４）に向けて圧送される。

なお、廃熱回収装置１の全体はプロセスコンピュータ等からなる制御器３０により統括的に制御・管理（監視）されるようになっている。すなわち、制御器３０の入力部には温度センサ、圧力センサ、流量センサ、電流計、電圧計などの種々の計測器から検出信号が入力され、制御器３０の出力部からポンプ５，１５、ボイラ６、および冷却水供給源３１に制御信号が送られ、これらの動作がそれぞれ制御されるようになっている。

次に上記の廃熱回収装置の作用について説明する。

ランキンサイクルは、液相の作動流体をポンプで断熱圧縮して気化手段（ボイラ等）へ送る可逆断熱変化過程と、気化手段で可逆等圧加熱を行い過熱蒸気の気相とする可逆等圧変化過程と、タービンで可逆断熱膨張させて仕事を得る可逆断熱変化過程と、タービンからの排気が復水器で可逆等圧冷却されて蒸気から水に凝縮する可逆等圧変化過程との４つの過程からなる熱サイクルである。

先ず高温側ランキンサイクルにおいてボイラ６により第１の作動流体Ａを気化させ（可逆等圧変化過程）、気化した作動流体Ａによりタービン２に対して仕事を行う（可逆断熱変化過程）。タービン２と接続した発電機３により発電を行う。タービン２に対して仕事を行った後、気相の作動流体Ａを復水器４にて液化させる（可逆等圧変化過程）。液化した作動流体Ａは昇圧ポンプ５にて昇圧され、再びボイラ６に送り返す（可逆断熱変化過程）。このとき、復水器４内の冷却媒体として第１の作動流体Ａよりも低沸点の第２の作動流体Ｂを使用する。

第２の作動流体Ｂは、復水器４において第１の作動流体Ａから熱を受け取ることにより気化する（可逆等圧変化過程）。気化した第２の作動流体Ｂにより第２のタービン１２に対して仕事を行い（可逆断熱変化過程）、タービン１２と接続した発電機１３により発電を行う。タービン１２に対して仕事を行った後、第２の復水器１４により作動流体Ｂを液化させる（可逆等圧変化過程）。液化した作動流体Ｂは昇圧ポンプ１５にて昇圧され、再び復水器４に送る（可逆断熱変化過程）。

第２の作動流体Ｂの気化により、復水器４内の圧力が上昇するため、第２の作動流体Ｂの沸点が上昇する。復水器４により第１の作動流体Ａを液化させ、第２の作動流体Ｂを気化させるには、上昇した第２の作動流体Ｂの沸点を第２の作動流体Ａの沸点よりも低い温度にする必要がある。例えば、制御器３０が冷却水供給源３１を制御して、第２の復水器１４の冷却水量を増大させることにより、低温側ランキンサイクル８内の圧力を下げ、作動流体Ｂの沸点上昇を抑えることができる。このように制御器３０は低温側ランキンサイクル８の圧力調整手段として機能する。

次に、第１の復水器４における熱交換作用について図２を参照して説明する。

第１の復水器４内で十分な熱交換が行われているとき、復水器４内の第１の作動流体Ａ（液体）と第２の作動流体Ｂ（液体）の温度は同一となる（このときの温度を平衡温度Ｔ_psとする）。その際、復水器４内で第１の作動流体Ａが液化し、第２の作動流体Ｂを気化する系が安定して存在しているとき、次の条件式（１）が成り立つ。

Ｔ_ps＝作動流体Ａの沸点（圧力Ｐ_A）＝作動流体Ｂの沸点（圧力Ｐ_B） …（１）
但し、Ｐ_A：復水器４の高温側ランキンサイクル側圧力
Ｐ_B：復水器４の低温側ランキンサイクル側圧力
Ｐ_A＜Ｐ_B
第１の復水器４（第２の気化手段を兼ねる）を通しての高温側ランキンサイクル７から低温側ランキンサイクル８ヘの熱移動に伴い、次のような温度・状態変化が発生する。

＜高温側ランキンサイクル側の温度・状態変化＞
復水器４に流入する第１の作動流体Ａ（気体）の温度Ｔ_Aは、復水器４内で冷却され平衡温度Ｔ_psまで下がる。平衡温度Ｔ_psまで下がった後に、液化し、凝縮熱が発生する。

＜低温側ランキンサイクル側の温度・状態変化＞
復水器４に流入する第２の作動流体Ｂ（液体）の温度Ｔ_Bは、復水器４内で過熱され平衡温度Ｔ_psまで上がる。平衡温度Ｔ_psまで上がった後に、気化し、気化熱を吸収する。

上記の変化が安定して発生するとき、次の条件式（２）が成り立つ。

｛（Ｔ_A−Ｔ_ps）×Ｃ_A(gas)×Ｗ_A(gas)＋△Ｈ_A×Ｗ_{A(gas→liquid)}｝×ｅ
＝（Ｔ_ps−Ｔ_B）×Ｃ_B(liquid)×Ｗ_B(liquid)＋△Ｈ_B×Ｗ_{B(liquid→gas) …（２）}
但し、Ｔ_A：作動流体Ａの第１復水器流入前の温度（Ｋ）
Ｔ_ps：平衡温度（Ｋ）
Ｔ_B：作動流体Ｂの第１復水器流入前の温度（Ｋ）
Ｃ_A(gas)：作動流体Ａの定積比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）
Ｃ_B(liquid)：作動流体Ｂの比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）
△Ｈ_A：作動流体Ａの凝縮熱（Ｊ／ｇ）
△Ｈ_B：作動流体Ｂの蒸発熱（Ｊ／ｇ）
Ｗ_{A(gas→liquid)}：作動流体Ａの第１復水器内凝縮量（ｇ）
Ｗ_A(gas)：作動流体Ａの第１復水器流入気体量（ｇ）
Ｗ_{B(liquid→gas)}：作動流体Ｂの第１復水器内蒸発量（ｇ）
Ｗ_B(liquid)：作動流体Ｂの第１復水器流入液体量（ｇ）
ｅ：高温側ランキンサイクル→低温側ランキンサイクルヘの熱伝導効率
［計算例］
ここで、仮に第１の作動流体Ａを水、第２の作動流体Ｂをメタノールとし、下記条件で発電を行うとする。

Ｔ_A＝４７３（Ｋ）（２００℃）
Ｔ_ps＝３７３（Ｋ）（１００℃）
Ｔ_B＝３０３（Ｋ）（３０℃）
第１の復水器４内の平衡温度（３７３（Ｋ））において、水蒸気を液化させ、メタノールを気化させることから、復水器４内通過後の高温側ランキンサイクル７の圧力Ｐ、が１ａｔｍ、低温側ランキンサイクル８の圧力Ｐｂが３．４８ａｔｍとなるように、第２の復水器１４の冷却水流量を制御する。ちなみに圧力Ｐｂを３．４８ａｔｍに制御する理由は、温度３７３（Ｋ）におけるメタノール飽和蒸気圧が３．４８ａｔｍであるためである。

Ｃ_A(gas)＝０．９２（Ｊ／ｇ・Ｋ）（３７３（Ｋ），４２３（Ｋ），４７３（Ｋ）の水蒸気定積比熱平均）
Ｃ_B(liquid)＝２．５２（Ｊ／ｇ・Ｋ）（メタノール（液相）の比熱）
△Ｈ_A＝２２６０（Ｊ／ｇ）（水蒸気の凝縮熱１ａ伽時）
△Ｈ_B＝１１１３（Ｊ／ｇ）（メタノール気化熱１ａｔｍ時）（復水器４における作動流体Ｂの圧力は３．４８ａｔｍであるが、本計算において△Ｈ_Bは、圧力１ａｔｍのときの値を使用する）
上記の条件では、例えば次の条件１）〜５）において平衡状態が成り立つ。

１）Ｗ_{A(gas→liquid)}＝１０００（ｇ）
２）Ｗ_A(gas)＝２０００（ｇ）
３）Ｗ_{B(liquid→gas)}＝２０００（ｇ）
４）Ｗ_B(liquid)＝４７３２（ｇ）
５）ｅ＝０．８
以上の計算例により本実施形態の廃熱回収装置を用いるとランキンサイクルにおける熱利用効率が改善されることが認められた。

（第２の実施の形態）
次に図３を参照して第２の実施の形態に係る廃熱回収装置について説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

第２の実施形態に係る廃熱回収装置１Ａは、低温側ランキンサイクル８に接続され、低温側ランキンサイクル８よりもさらに低温で作動する第３のランキンサイクル９をさらに有している。

第３のランキンサイクルは、第３の気化手段１４Ａ、第３のタービン２２、第３の復水器２４、昇圧手段としての第３のポンプ２５を備えている。第３の気化手段１４Ａは、第２の作動流体Ｂよりも低沸点の第３の作動流体Ｃを低温側ランキンサイクル８の第２の復水器の冷却媒体として使用することにより、第３の作動流体Ｃを気化する機能を有する。第３のタービン２２は、気化した第３の作動流体Ｃにより駆動されるものである。第３の復水器２４は、第３のタービンに対して仕事を行った後の第３の作動流体Ｃを液化させる機能を有する。ポンプ２５は、液化した第３の作動流体Ｃを昇圧し、第３の復水器２４から第３の気化手段としての復水器１４Ａに向けて供給する第３の気化手段として機能するものである。

通常、第２の作動流体Ｂにはフロンまたは代替フロンを使用するため、第３の作動流体Ｃとして次の３つの条件のうち少なくとも１つを満たす流体を使用する。

１）フロンまたは代替フロンに比べて気化の潜熱が小さいこと
２）フロンまたは代替フロンに比べて液相での比熱が大きいこと
３）温度エントロピ状態図（Ｔ-ｓ線図）上の乾き飽和蒸気線のエントロピ変化がフロンまたは代替フロンの蒸気に比べて小さい「等エントロピタイプ」の飽和蒸気特性を有していること
上記の条件を備えた作動流体Ｃとしてさらに低沸点のフロンまたは代替フロンを用いることができる。具体的には第３の作動流体Ｃとして、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、アンモニア水などを用いることができる。

本発明の実施形態に係る廃熱回収装置を示す構成ブロック図。 高温側ランキンサイクルの復水器における熱収支計算例を説明するための模式図。 本発明の他の実施形態に係る廃熱回収装置を示す構成ブロック図。

符号の説明

１，１Ａ…廃熱回収装置、
２，１２，２２…タービン、３，１３，２３…発電機、
４，１４，２４…復水器、５，１５，２５…ポンプ、
６…ボイラ（気化手段）、
７…高温側発電ユニット（高温側ランキンサイクル）、
８，９…低温側発電ユニット（低温側ランキンサイクル）、
３０…制御器、３１…冷却水供給源、
Ｌ１〜Ｌ８…ライン

Claims (3)

1. 高温側ランキンサイクルと低温側ランキンサイクルを有し、タービン出力を得るとともに前記ランキンサイクル内で発生する機関廃熱を回収する廃熱回収装置において、
   前記高温側ランキンサイクルは、
   第１の作動流体Ａを気化するための熱源を有する第１の気化手段と、
   気化した第１の作動流体Ａにより駆動される第１のタービンと、
   前記第１のタービンに対して仕事を行った後の第１の作動流体Ａを液化させる第１の復水器と、
   液化した第１の作動流体Ａを昇圧し、前記第１の復水器から前記第１の気化手段に向けて供給する第１の昇圧手段と、を具備し、
   前記低温側ランキンサイクルは、
   前記第１の作動流体Ａよりも低沸点の第２の作動流体Ｂを前記高温側ランキンサイクルの第１の復水器の冷却媒体として使用することにより、前記第２の作動流体Ｂを気化する第２の気化手段と、
   気化した第２の作動流体Ｂにより駆動される第２のタービンと、
   前記第２のタービンに対して仕事を行った後の第２の作動流体Ｂを液化させる第２の復水器と、
   液化した第２の作動流体Ｂを昇圧し、前記第２の復水器から前記第２の気化手段に向けて昇圧する第２の昇圧手段と、を具備することを特徴とする廃熱回収装置。
2. 前記低温側ランキンサイクルに接続され、前記低温側ランキンサイクルよりもさらに低温で作動する第３のランキンサイクルをさらに有し、
   前記第３のランキンサイクルは、
   前記第２の作動流体Ｂよりも低沸点の第３の作動流体Ｃを前記低温側ランキンサイクルの第２の復水器の冷却媒体として使用することにより、前記第３の作動流体Ｃを気化する第３の気化手段と、
   気化した第３の作動流体Ｃにより駆動される第３のタービンと、
   前記第３のタービンに対して仕事を行った後の第３の作動流体Ｃを液化させる第３の復水器と、
   液化した第３の作動流体Ｃを昇圧し、前記第３の復水器から前記第３の気化手段に向けて供給する第３の昇圧手段と、を具備することを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
3. 前記第２の気化手段の内部圧力の上昇により前記第２の作動流体Ｂの沸点が上昇するのを抑制するための圧力調整手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。

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