JP2010180837A

JP2010180837A - ヒートポンプを使った蒸気タービン駆動システム

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Publication number: JP2010180837A
Application number: JP2009026774A
Authority: JP
Inventors: Kazue Miura; 一衛三浦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】従来復水器で捨てていた熱を利用する蒸気タービン駆動システムを提供する。
【解決手段】過熱蒸気Ｇにより蒸気タービン２を駆動する蒸気タービン駆動システムにおいて、蒸気タービン２と、発電機３と、蒸気タービン２を駆動したタービン排出蒸気Ｇ１の熱を利用する凝縮器４と、圧縮機５とを備える。蒸気タービン２を駆動したタービン排出蒸気Ｇ１の熱を利用することができる。蒸発器４に圧縮機５を接続し、この圧縮機５により水（冷媒）Ｗ１を蒸発させ、冷凍サイクルで潜熱でタービン排出蒸気Ｇ１を凝縮させることができる。凝縮器４は凝縮潜熱と蒸発潜熱の交換場所である。
【選択図】図２

Description

本発明は、水（冷媒）の冷凍サイクルを用いて（水のヒートポンプ）タービンを駆動する蒸気タービン駆動システム（原動機含む）に関する。

カルノーサイクルは最も効率のよい理論サイクルであるが、実施は困難であるため、一般に蒸気原動機ではランキンサイクルを基本としている。ランキンサイクルでは、タービン排気が復水器で冷却され、多量の熱（潜熱）を捨て、復水となる（例えば特許文献１）。ランキンサイクルの効率を上げるためには、再生サイクル，再熱サイクルや再熱再生サイクルがあるが、それでも効率は低い。効率向上を図ったものとして、ガスタービンと蒸気タービンを熱的に結合した複合サイクル（combined cycle）があるが、それでも効率は５０％に届かない。

地球の温暖化により北極やヒマラヤの氷が溶け始めている時代です。発電機、原動機の効率を向上させてＣＯ₂の排出量を少なくしなければならなくなっている。

国際公開番号ＷＯ２００５／１１９０１６

そこで、本発明は、従来復水器で捨てていた熱（潜熱）を水（冷媒）にして圧縮機で蒸発させ、水蒸気にして過熱器に送り、エンタルピーを増加させ、タービンを回転させる蒸気タービン駆動システムを提供することを目的とし、冷凍サイクル，水のヒートポンプを利用する。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、水（冷媒）を加熱した蒸気により蒸気タービンを駆動する蒸気タービン駆動システムにおいて、前記蒸気タービンを駆動したタービン排出蒸気の熱を回収する熱交換器を備えることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記熱交換器は、前記蒸気タービンを駆動した前記タービン排出蒸気から潜熱を奪って水（冷媒）にすることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記熱交換器に圧縮機を接続し、この圧縮機により前記水（冷媒）を蒸発させると共に、前記熱交換器により前記タービン排出蒸気から水（冷媒）に蒸発熱を加えて前記水（冷媒）を気化することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記熱交換器は、前記水（冷媒）を回収する回収容器と、この回収容器と前記圧縮機を接続する複数の熱交換路とを備え、前記タービン排出蒸気が熱交換室に入り、蒸発した蒸気が前記熱交換路を通り、前記熱交換路に前記タービン排出蒸気を接して前記水（冷媒）と熱交換することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、前記圧縮機により加圧加温した蒸気を過熱器により過熱し、この過熱蒸気を前記蒸気タービンに供給することを特徴とする。

請求項１の構成によれば、蒸気タービンを駆動したタービン排出蒸気の熱を利用することができる。

また、請求項２の構成によれば、タービン排出蒸気の潜熱を利用できる。

また、請求項３の構成によれば、圧縮機により水（冷媒）を蒸発させるので、タービンを出た蒸気を水（冷媒）にできる。

また、請求項４の構成によれば、前記熱交換路に前記タービン排出蒸気を接して前記水（冷媒）と熱交換する。

また、請求項５の構成によれば、加圧した蒸気を過熱し、この過熱蒸気により蒸気タービンを駆動することができる。このように、圧縮機の上流では水（冷媒）が蒸発し、その下流では蒸気を加圧加熱し、蒸気タービンを効率よく駆動することができる。

本発明の実施例１に係る全体フロー図である。同上、詳細図である。本発明の実施例２に係る詳細図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例について説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の蒸気タービン駆動システムたる発電システムは、水を冷媒とし、蒸気を加熱する過熱器１と、過熱器１により加熱された過熱蒸気Ｇにより駆動する蒸気タービン２と、このタービン２により駆動する発電機３とを備え、前記タービン２を駆動する際、前記過熱蒸気Ｇは膨張してタービン排出蒸気Ｇ１となり、このタービン排出蒸気Ｇ１は前記過熱蒸気Ｇより低温となり、熱交換器たる凝縮器４に送られる。尚、過熱器１と蒸気タービン２は、鎖線で示す管路Ｋ１により接続され、蒸気タービン２と凝縮器４は、鎖線で示す管路Ｋ２により接続されている。

尚、発電機３を用いずに蒸気タービン２を車や船などの各種の動力に用いてもよい。

前記凝縮器４は、熱交換室１１と、前記タービン排出蒸気Ｇ１が液化した水（冷媒）Ｗを貯水する回収容器たる貯水室１２と、前記水（冷媒）Ｗが蒸発する際、前記タービン排出蒸気Ｇ１の潜熱を奪って気化した蒸気Ｇ２が通過する通過室１３と、前記熱交換室１１内に設けられ前記貯水室１２と前記通過室１３とを連通する複数の熱交換パイプ１４，１４・・・とを備え、前記通過室１３には、圧縮機５が接続されている。そして、前記通過室１３の下に前記熱交換室１１が設けられ、この熱交換室１３の下に前記貯水室１２が設けられている。尚、凝縮器４と圧縮機５は、鎖線で示す管路Ｋ３により接続され、圧縮機５と過熱器１は、鎖線で示す管路Ｋ４により接続されている。

前記熱交換室１１の下部と前記貯水室１２とは、管路１５により接続され、前記管路１５の下流には、前記貯水層１２内の水位を調整する水位調整手段たるフロート弁１７を設けている。

また、前記発電システムは、前記圧縮機５の駆動を制御する制御手段２１を備え、この制御手段２１は、前記圧縮機５の手前の管路Ｋ３に温度調節計２２を接続し、この温度調節計２２により管路Ｋ３の蒸発蒸気Ｇ２の温度を測定し、この温度が設定温度になるように圧縮機５を駆動制御する。具体的には、インバーターにより圧縮機５の回転数を調節する。

また、前記発電システムは、前記過熱器１の手間の蒸気の圧力を調節する制御手段２３を備え、この制御手段２３は、前記過熱器１の手前の管路Ｋ４に圧力調節弁２４を設けると共に、この圧力調節弁２４の下流の管路Ｋ４の蒸気圧を検出する検出手段２５を設け、この検出手段２５により検出した蒸気圧を所定圧に保つように前記圧力調節弁２４を制御する。

さらに、前記発電システムは、前記蒸気タービン２に供給する過熱蒸気の温度を制御する制御手段２６を備え、この制御手段２６は蒸気タービン２の手間の管路Ｋ１に温度調節計２７を接続し、この温度調節計２７により管路Ｋ１の過熱蒸気Ｇの温度を測定し、この温度が設定温度になるように過熱器１を駆動制御する。具体的には、過熱器１に供給されるガスなどの燃料の供給量を調節弁２８により制御することにより、過熱量を調節し、過熱蒸気Ｇが所定の温度になるように調節する。

次に、前記発電システムの動作について説明する。過熱器１により過熱された過熱蒸気Ｇは、蒸気タービン２を駆動することにより、膨張してタービン排出蒸気Ｇ１となる。このタービン排出蒸気Ｇ１は熱交換室１１に送られ、熱交換パイプ１４に熱を奪われて凝縮し、凝縮水Ｗとして熱交換室１１の下部に貯まる。この熱交換室１１に貯まった凝縮水Ｗは管路１５を通って貯水室１２に落下し、貯水室１２内の水（冷媒）Ｗ１の水位はフロート弁１７により所定範囲内に保たれる。尚、凝縮器４にフィルター手段を設けて水Ｗに含まれるゴミ類を除去するようにしてもよい。

ここで、圧縮機５の駆動により、圧縮機５に接続した通過室１３，複数の熱交換パイプ１４，１４・・・及び貯水室１２内が減圧され、低圧条件で貯水室１２内の水（冷媒）Ｗ１が蒸発して蒸発蒸気Ｇ２が発生し、この際、熱交換室１１内のタービン排出蒸気Ｇ１を凝縮する。

前記蒸発蒸気Ｇ２は、圧縮機５により圧縮されることにより、所定圧に上昇する。この場合の圧力は、ゲージ圧で、例えば２ｋg/ｃｍ²程度とすれば、蒸気の圧縮比は３となる。この圧縮機５で圧縮した蒸気を過熱器１により過熱することにより、過熱蒸気Ｇが得られ、この過熱蒸気Ｇの温度は、３００度（２００〜４００°）
この過熱蒸気Ｇにより蒸気タービン２を駆動することができる。

尚、一例として、前記タービン排出蒸気Ｇ１は、圧力４５０ｍｍＨｇ、温度８６〜１００度、前記蒸発蒸気Ｇ２は、前記タービン排出蒸気Ｇ１より圧力及び温度が低く、圧力３７６ｍｍＨｇ、温度８１度前後（７７〜８５度）である。

熱交換器たる凝縮器４において、凝縮潜熱と蒸発潜熱の交換が行われます。尚、図１中の温度，圧力は仮定です。

このように本実施例では、水（冷媒）を加熱した蒸気たる過熱蒸気Ｇにより蒸気タービン２を駆動する蒸気タービン駆動システムたる発電システムにおいて、蒸気タービン２を駆動したタービン排出蒸気Ｇ１の熱を回収する熱交換器たる凝縮器４を備えるから、蒸気タービン２を駆動したタービン排出蒸気Ｇ１の潜熱を利用することができる。

また、このように本実施例では、熱交換器たる凝縮器４は、タービン２を駆動した前記タービン排出蒸気Ｇ１から蒸発熱を奪って凝縮水Ｗ，水（冷媒）Ｗ１にするから、タービン排出蒸気Ｇ１から潜熱を奪うことができる。

また、このように本実施例では、熱交換器たる凝縮器４に圧縮機５を接続し、この圧縮機５により水（冷媒）Ｗ１を減圧すると共に、凝縮器４によりタービン排出蒸気Ｇ１から水（冷媒）Ｗ１に潜熱を加えて水（冷媒）Ｗ１を気化するから、圧縮機５により水（冷媒）Ｗ１を減圧すると共に、低圧蒸気であるタービン排出蒸気Ｇ１から蒸発熱を奪って水（冷媒）Ｗ１が気化する。

また、このように本実施例では、水（冷媒）Ｗ１を回収する回収容器たる貯水室１２と、この貯水室１２と圧縮機５を接続する複数の熱交換路たる熱交換パイプ１４とを備え、熱交換パイプ１４にタービン排出蒸気Ｇ１を接して水（冷媒）Ｗ１と熱交換するから、熱交換パイプ１４にタービン排出蒸気Ｇ１を接して水（冷媒）Ｗ１と熱交換する。

また、このように本実施例では、圧縮機５により加圧加温した蒸気を過熱器１により過熱し、過熱蒸気Ｇを蒸気タービン２に供給するから、加圧加温した蒸気を過熱し、この過熱蒸気にＧより蒸気タービンを駆動することができる。このように、圧縮機５の上流では凝縮水Ｗ，水（冷媒）Ｗ１を減圧し、その下流では蒸気Ｇを加圧加温するから、蒸気タービン２を効率よく駆動することができる。

また、実施例上の効果として、熱交換器たる蒸発器４は、熱交換室１１と、蒸気タービン２を駆動したタービン排出蒸気Ｇ１が凝縮した水（冷媒）Ｗ１を貯水する貯水室１２と、水（冷媒）Ｗ１が減圧されタービン排出蒸気Ｇ１の潜熱を奪って気化した冷媒蒸気が通過する通過室１３と、熱交換室１２内に設けられ貯水室１２と通過室１３とを連通する複数の熱交換パイプ１４，１４・・・とを備えるから、熱交換室１１においてタービン排出蒸気Ｇ１を一旦凝縮水Ｗに変換して溜め、発電システム内で水（冷媒）の供給量を調整することができる。

図３は、本発明の実施例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述すると、この例では、制御手段２１，２３を用いることなく、制御手段３１を備え、この制御手段３１は、前記過熱器１の手前の蒸気の圧力を調節するものであって、この制御手段３１は、前記過熱器１の手前の管路Ｋ４の蒸気圧を検出する検出手段３２を設け、この検出手段３２により検出した蒸気圧を所定圧に保つように圧縮機５を駆動制御する。具体的には、インバーターにより圧縮機５の回転数を調節する。

このように本実施例においても、上記実施例１と同様な作用・効果を奏する。

尚、本発明は、本実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、発電機の駆動に限らず、蒸気タービンを原動機として各種の動力に用いることができる。

１過熱器
２蒸気タービン
３発電機
４凝縮器（熱交換器）
５圧縮機
１１熱交換室
１２貯水室
１３通過室
１４熱交換パイプ（冷媒がとおる）
Ｇ過熱蒸気
Ｇ１タービン排出蒸気
Ｗ水（凝縮）
Ｗ１水（冷媒）
Ｇ２蒸気（冷媒）

Claims

水を加熱した蒸気により蒸気タービンを駆動する蒸気タービン駆動システムにおいて、前記蒸気タービンを駆動したタービン排出蒸気の熱を回収する熱交換器を備えることを特徴とする蒸気タービン駆動システム。
前記熱交換器は、前記蒸気タービンを駆動した前記タービン排出蒸気から潜熱を奪って水にすることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン駆動システム。
前記熱交換器に圧縮機を接続し、この圧縮機により前記水を減圧蒸発させると共に、前記熱交換器により前記タービン排出蒸気から水に潜熱を加えて前記水を気化することを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン駆動システム。
前記水を回収する回収容器と、この回収容器と前記圧縮機を接続する複数の熱交換路とを備え、前記熱交換路に前記タービン排気蒸気を接して前記水と熱交換することを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン駆動システム。
前記圧縮機により加圧加温した蒸気を過熱器により過熱し、この過熱蒸気を前記蒸気タービンに供給することを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン駆動システム。