JP2012077619A - プラントシステム - Google Patents

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大智 吉井
Yuichi Otani
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Abstract

【課題】復液器の排熱を有効利用してプラント効率を向上させることにある。
【解決手段】第一熱媒体W2を加熱する加熱器と、気相の第一熱媒体W2で回転駆動される第一タービンと、気相の第一熱媒体W2を復液する復液器23と、前記加熱器と前記第一タービンと復液器23との間で第一熱媒体W2を循環させる第一流路27と、復液器23の排熱を外界に放熱する冷却用水流路31とを備えたプラントシステムAであって、第一熱媒体W2よりも低い沸点を有すると共に復液器23の排熱で液相から気相になった第二熱媒体Cで回転駆動される第二タービン41と、第二タービン41から排出された第二熱媒体Cと冷却用水W3との間で熱交換をさせて第二熱媒体Cを気相から液相にする熱交換器43と、復液器23と第二タービン41と熱交換器43との間で第二熱媒体Cを循環させる第二流路45とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、プラントシステムに関するものである。
周知のように、原子力発電プラントや火力発電プラントにおいては、熱媒体を循環させることにより、蒸気タービンを回転駆動させて発電を行うのが一般的である。このような発電プラントにおいては、プラント効率を向上させるために、プラントの各構成要素で生じる排熱を回収して有効利用する試みがなされている。
例えば、下記特許文献1に開示されたプラントシステムにおいては、液体を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器と、この蒸気発生器の蒸気で回転駆動する蒸気タービンと、この蒸気タービンから排出された飽和蒸気を飽和水に復水する復水器と、この復水器で復水された液体から不純物を除去する復水脱塩装置と、この復水脱塩装置を経た液体を加熱して蒸気発生器に供給する熱交換器とを備え、蒸気発生器から排液された液体の一部(ブローダウン水)を熱交換器に供給した後に復水脱塩装置に回収している。すなわち、このプラントシステムにおいては、熱交換器においてブローダウン水と復水脱塩装置からの液体とを熱交換をさせて熱回収を行っている。
また、下記特許文献2に開示されたプラントシステムおいては、蒸気発生装置への給水を加熱するヒートポンプと、蒸気タービンの排気蒸気の熱を熱媒体に回収させる熱交換器と、この熱交換器とヒートポンプとの間に熱媒体が循環する循環配管とを備え、排気蒸気の排熱で蒸気発生装置への給水を加熱している。
特開2006−138278号公報 特開2007−64048号公報
ところで、上述した復水器においては、蒸気タービンから排出された飽和蒸気を飽和水に復水しているが、この際に復水器で生じる排熱は、比較的に熱量が多い一方で温度レベルが低くなっており、有効利用されずに捨てられているという問題があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、復液器の排熱を有効利用してプラント効率を向上させることにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るプラントシステムは、液相の第一熱媒体を加熱して気相にする加熱器と、前記気相の第一熱媒体で回転駆動される第一タービンと、前記第一タービンから排出された前記第一熱媒体を気相から液相に復液する復液器と、前記加熱器と前記第一タービンと前記復液器との間に設けられ、前記第一熱媒体を循環させる第一流路と、外界から取水した冷却用水が流通すると共に前記冷却用水を介して前記復液器の排熱を前記外界へ放熱する冷却用水流路とを備えたプラントシステムであって、前記第一熱媒体よりも低い沸点を有すると共に前記復液器の排熱で液相から気相にされた第二熱媒体で回転駆動される第二タービンと、前記第二タービンから排出された前記第二熱媒体と前記冷却用水との間で熱交換をさせて前記第二熱媒体を気相から液相にすると共に前記第二熱媒体を介して前記冷却用水に前記復水器の排熱を吸収させる熱交換器と、前記復液器と前記第二タービンと前記熱交換器との間に設けられ、前記第二熱媒体を循環させる第二流路とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、第一熱媒体を復液する復液器と復液器の排熱を外界に放熱させる冷却用水流路との間において、第一熱媒体よりも沸点の低い第二熱媒体が循環すると共にこの第二熱媒体で回転駆動される第二タービンを備えるので、復液器と冷却用水流路と第二タービンとの間において復液器の排熱を熱源とする熱サイクルが構成される。これにより、比較的に温度レベルが低い復液器の排熱を回収することができると共に、この回収した排熱で第二タービンが駆動されることで復液器の排熱が有効利用されることとなる。
従って、プラント効率を向上させることができる。
また、復液器の排熱を直接外界に放熱する場合に比べて外界に放熱する熱量が減少するので、放熱に伴って生じる外界への影響を抑制することができる。
また、前記第二熱媒体は、有機溶液であることを特徴とする。
この構成によれば、第二熱媒体が有機溶液であるので、復液器の排熱を熱源とした有機ランキンサイクルを構成することができる。これにより、復液器における温度レベルが低い排熱を十分に回収すると共に有効に利用することができる。
また、前記復液器における第一熱媒体の状態量を計測するセンサ部と、前記センサ部の計測値に基づいて、前記第二熱媒体の流量を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
この構成によれば、第一熱媒体の状態量の計測値に基づいて第二熱媒体の流量を制御するので、第一タービンの運転条件によって第一熱媒体の状態量が変化したとしても、この変化に応じて第二熱媒体の流量が制御されることとなる。これにより、第一タービンの運転条件の変化の影響を受けずに、復液器の排熱を熱源とする熱サイクルを最適に構成することができる。
また、前記センサ部は、前記第一熱媒体の流量を計測する流量センサと前記第一熱媒体の圧力を計測する圧力センサとを備え、前記制御部は、予め求めた前記第一熱媒体の圧力と温度との関係、及び、前記圧力センサの計測値から前記第一熱媒体の温度推定値を求め、前記流量センサ及び前記圧力センサの計測値と前記温度推定値とから前記第二熱媒体の流量を制御することを特徴とする。
この構成によれば、温度推定値と、流量センサ及び圧力センサの計測値とから第二熱媒体の流量を制御するので、温度センサを省略して装置構成を簡素化することができる。
また、前記センサ部は、前記第一熱媒体の流量を計測する流量センサと前記第一熱媒体の温度を計測する温度センサとを備え、前記制御部は、予め求めた前記第一熱媒体の圧力と温度との関係、及び、前記温度センサの計測値から前記第一熱媒体の圧力推定値を求め、前記流量センサ及び前記温度センサの計測値と前記圧力推定値とから前記第二熱媒体の流量を制御することを特徴とする。
この構成によれば、圧力推定値と、流量センサ及び温度センサの計測値とから第二熱媒体の流量を制御するので、圧力センサを省略して装置構成を簡素化することができる。
また、前記熱交換器は、前記冷却用水流路の冷却用水が流通する冷却用水流通部を備え、前記冷却用水流通部が取り外し可能であることを特徴とする。
この構成によれば、熱交換器のうち冷却用水が流通する冷却用水流通部が取り外し可能であるので、外界から導入された冷却用水により冷却用水流通部が汚れたり詰まったりしたとしても、冷却用水流通部を取り外してメンテナンスをしたり他の冷却用水流通部と取り替えたりすることができる。これにより、熱交換器の性能を速やかに回復させてプラントシステムを迅速に正常運転に復帰させることができる。
本発明に係るプラントシステムによれば、復液器の排熱を有効利用してプラント効率を向上させることができる。
本発明の第一実施形態に係る原子力発電プラントAの概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る排熱回収系4の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る排熱回収系4が構成するランキンサイクルの温度−エントロピ線図である。 本発明の第一実施形態に係る排熱回収系4の変形例4Aである。 本発明の第二実施形態に係る排熱回収系5の概略構成図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態に係る原子力発電プラント(プラントシステム)Aの概略構成図である。
図1に示すように、原子力発電プラントAは、一次冷却水W1が循環すると共に原子炉11で発生した熱を取り出す一次冷却系1と、二次冷却水(第一熱媒体)W2が循環すると共にメイン蒸気タービン21を回転駆動させる二次冷却系2とに大別して構成されている。
一次冷却系1は、燃料棒と制御棒と圧力容器と制御棒駆動装置等を備える原子炉11と、一次冷却水W1を加圧する加圧器12と、一次冷却水W1で二次冷却水W2を加熱する蒸気発生器(加熱器)13と、吸引した一次冷却水W1を吐出する一次冷却系循環ポンプ14と、これら原子炉11と加圧器12と蒸気発生器13と一次冷却系循環ポンプ14との間で一次冷却水W1を流通させる一次冷却系流路15とで概略構成されている。
二次冷却系2は、二次冷却水W2の水蒸気(以下「気相二次冷却水W2」という。)で回転駆動されるメイン蒸気タービン(第一タービン)21と、メイン蒸気タービン21に連結されたメイン発電機22と、気相二次冷却水W2を冷却して水(以下「液相二次冷却水W2」という。)に復水する復水器(復液器)23と、この復水した液相二次冷却水W2を脱気する脱気器24と、メイン蒸気タービン21から気相二次冷却水W2の一部が供給されると共に脱気器24から蒸気発生器13へ戻る液相二次冷却水W2を予加熱する給水加熱器25と、吸引した液相二次冷却水W2を吐出する二次冷却系循環ポンプ26と、蒸気発生器13とメイン蒸気タービン21と復水器23と脱気器24と給水加熱器25と二次冷却系循環ポンプ26との間で二次冷却水W2を流通させる二次冷却系流路(第一流路)27とで概略構成されている。
すなわち、原子力発電プラントAは、一次冷却系1において、一次冷却水W1が原子炉11で発生する熱によって加熱されると共に加圧器12によって加圧されることで高温高圧の液相となる。そして、この高温高圧の一次冷却水W1が蒸気発生器13に送られて二次冷却水W2を加熱した後に、一次冷却水W1が一次冷却系循環ポンプ14を介して原子炉11に戻されるようになっている。
また、二次冷却系2においては、蒸気発生器13において液相二次冷却水W2が高温高圧の一次冷却水W1によって加熱されて気相二次冷却水W2となる。次に、この気相二次冷却水W2がメイン蒸気タービン21に送られてメイン蒸気タービン21を回転駆動する。そして、メイン蒸気タービン21から排出された気相二次冷却水W2が復水器23にて冷却されて液相二次冷却水W2に復水され、この液相二次冷却水W2が脱気器24にて脱気された後に給水加熱器25にて昇温され、蒸気発生器13に戻される。
このような構成により、原子力発電プラントAにおいては、主にメイン蒸気タービン21に接続されたメイン発電機22で発電がなされるようになっている。
上記の原子力発電プラントAは、海から取水された海水(冷却用水)W3が流通する海水流路(冷却用水流路)31と、海水流路31と復水器23との間に配設された排熱回収系4とを備えており、排熱回収系4によって復水器23の排熱を回収した後に、海水W3を介して復水器23の排熱を最終的に海に棄てている。
図2は、排熱回収系4の概略構成図である。
図2に示すように、排熱回収系4は、排熱タービン(第二タービン)41と、排熱発電機42と、熱交換器43と、排熱系循環ポンプ44と、これら排熱タービン41と排熱発電機42と熱交換器43と排熱系循環ポンプ44と上述した復水器23との間でシリコンオイル(第二熱媒体)Cを流通させる排熱回収流路(第二流路)45とを備えている。
このシリコンオイルCは、二次冷却水W2よりも沸点が低くなっており、排熱回収系4を循環することによって復水器23における排熱を熱源とする有機ランキンサイクル(Organic Rankine Cycle:ORC)を構成する。
排熱タービン41は、定格回転数が比較的に低い回転数に設定されたものであり、復水器23において二次冷却水W2から熱を奪って蒸気となったシリコンオイルC(以下、「気相シリコンオイルC」という。)で回転駆動される。
排熱発電機42は、排熱タービン41に直接的に連結されており、排熱タービン41の回転によって発電する。
熱交換器43は、気相シリコンオイルCと海水W3と熱交換をさせて、気相シリコンオイルCを液相のシリコンオイルC(以下、「液相シリコンオイルC」という。)に凝縮する。
排熱系循環ポンプ44は、熱交換器43を経た液相シリコンオイルCを吸引して復水器23に向けて吐出する。
排熱回収流路45は、復水器23、排熱タービン41、熱交換器43、排熱系循環ポンプ44、復水器23をそれぞれ気密に接続しており、上記の順番でシリコンオイルCが流れるようにシリコンオイルCを循環させる。
次に、排熱回収系4の作用について図を用いて説明する。
まず、図2に示すように、排熱回収系4において排熱系循環ポンプ44(図1参照)から吐出されて復水器23に到達した液相シリコンオイルCと、第二冷却系において復水器23を通過する気相二次冷却水W2との間で熱交換が行われる。この際、気相二次冷却水W2は、液相シリコンオイルCよりも相対的に高温となっていることから、液相シリコンオイルCが気相二次冷却水W2から熱を奪って気相シリコンオイルCとなる。
なお、熱を奪われた気相二次冷却水W2は、液相二次冷却水W2に復水される。
次に、復水器23から排熱タービン41に送られた気相シリコンオイルCは、排熱タービン41を回転駆動し、排熱タービン41に連結された排熱発電機42で発電がなされる。その後、排熱タービン41から排出された気相シリコンオイルCは、熱交換器43において海水W3と熱交換を行って液相シリコンオイルCに凝縮され、この液相シリコンオイルCが排熱系循環ポンプ44によって復水器23に送られる。
一方、気相シリコンオイルCと熱交換を行った海水W3は、排熱タービン41を駆動した後の気相シリコンオイルCと熱交換を行うこととなり、復水器23の気相二次冷却水W2と直接的に熱交換を行う場合に比べて排熱タービン41の駆動分だけ受熱量が減少する。このため、昇温が抑制されて比較的に低温となった海水W3が海水流路31から海に放水される。
図3は、排熱回収系4が構成するランキンサイクルの温度−エントロピ線図である。なお、図3に示す各点P1〜P4は、図2における排熱回収系4の点P1〜P4にそれぞれ対応しており、破線はシリコンオイルCの飽和線を示している。
図3に示すように、シリコンオイルCは、排熱系循環ポンプ44で断熱圧縮された後(P1〜P2)、復水器23に流入してこの復水器23において定圧加熱されて飽和液となった後に(P2〜P2´)、定圧加熱されて蒸気となり(P2´〜P3)、さらに定圧加熱されて飽和蒸気となる(P3〜P3´)。そして、この飽和蒸気が排熱タービン41において断熱膨張して仕事(タービンを回転駆動)をし(P3´〜P4)、熱交換器43において等温等圧変化で凝縮して飽和液となる(P4〜P1)。
以上説明したように、第一実施形態によれば、二次冷却水W2を復液する復水器23と二次冷却水W2の排熱を海に放熱させる海水流路31との間において、二次冷却水W2よりも沸点の低いシリコンオイルCが循環すると共にこのシリコンオイルCで回転駆動される排熱タービン41を備えるので、復水器23と海水流路31と排熱タービン41との間において復水器23の排熱を熱源とする熱サイクルが構成される。これにより、比較的に温度レベルが低い復水器23の排熱を回収することができると共に、この回収した排熱で排熱タービン41が駆動されることで復水器23の排熱が有効利用されることとなる。
従って、プラント効率を向上させることができる。
また、復水器23の排熱を直接海に放熱する場合に比べて放熱量が減少するので、排熱の放熱に伴って生じる自然環境への影響を抑制することができる。
また、シリコンオイルCが有機溶液であるので、復水器23の排熱を熱源とする熱サイクルを所謂有機ランキンサイクルにすることができる。これにより、復水器23における温度レベルが低い排熱を十分に回収すると共に有効に利用することができる。
図4は、排熱回収系4の変形例4Aである。
図4に示すように、この変形例4Aは、熱交換器43のうち海水流路31の海水W3が流通する海水流通部(冷却用水流通部)43aがユニット化されており、取り外し可能になっている。
この構成によれば、熱交換器43のうち海水W3が流通する海水流通部43aが取り外し可能であるので、海から導入された海水W3により海水流通部43aが汚れたり詰まったりしたとしても、海水流通部43aを取り外してメンテナンスをしたり他の海水流通部43aと取り替えたりすることができる。これにより、熱交換器43の性能を速やかに回復させて原子力発電プラントAを迅速に正常運転に復帰させることができる。
(第二実施形態)
図5は、本発明の第二実施形態に係る排熱回収系5の概略構成図である。なお、図5において、上述した図1〜図4と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
図5に示すように、排熱回収系5は、気相二次冷却水W2の状態量を計測するセンサ部6と、センサ部6の計測値に基づいてシリコンオイルCの流量を制御する制御部7とを備えている。
センサ部6は、気相二次冷却水W2の流量を計測する流量センサ61と気相二次冷却水W2の圧力を計測する圧力センサ62とを有しており、各計測値を制御部7に入力する。
制御部7は、記憶部(不図示)に記憶された気相二次冷却水W2の飽和圧力と温度との関係(テーブルあるいは関数)を参照して、圧力センサ62の計測値から気相二次冷却水W2の温度推定値を求める。そして、制御部7は、求めた温度推定値と、流量センサ61及び圧力センサ62の計測値とから排熱系循環ポンプ44を介して二次冷却水W2の流量を制御する。
より詳細に説明すると、メイン蒸気タービン21の運転条件によって二次冷却水W2の状態量が変化したとしても、復水器23において二次冷却水W2が過冷却あるいは冷却不足とならないように、シリコンオイルCの流量を制御する。すなわち、シリコンオイルCが二次冷却水W2から奪う熱量を調整することで、二次冷却系2の復水器23の排熱熱量に応じて、排熱回収系4において有機ランキンサイクルを構成する。
以上説明したように、第二実施形態によれば、二次冷却水W2の状態量の計測値に基づいてシリコンオイルCの流量を制御するので、メイン蒸気タービン21の運転条件によって二次冷却水W2の状態量が変化したとしても、この変化に応じてシリコンオイルCの流量が制御される。これにより、メイン蒸気タービン21の運転条件の変化の影響を受けずに、復水器23の排熱を熱源とする熱サイクルを最適に構成することができる。
また、圧力センサ62の計測値から二次冷却水W2の温度推定値を求め、温度推定値と、流量センサ61及び圧力センサ62の計測値とからシリコンオイルCの流量を制御するので、温度センサを省略して装置構成を簡素化することができる。
なお、上述した構成においては、圧力センサ62の計測値から温度推定値を求める構成としたが、圧力センサ62に代えて温度センサ63(図5において破線で示す。)を設け、温度センサ63の計測値から圧力推定値を求めてシリコンオイルCの流用を制御してもよい。この構成によれば、圧力センサ62を省略して装置構成を簡素化することができる。
また、流量センサ61と圧力センサ62と温度センサ63とを配設して、各計測値に基づいてシリコンオイルCの流量を制御してもよい。
また、第一実施形態の変形例4Aと同様に、熱交換器43のうち海水W3が流通する海水流通部43aをユニット化してもよい。
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、排熱回収系4,5の熱媒体としてシリコンオイルCを用いたが、二次冷却水W2よりも沸点が低ければ他の物質を用いてもよく、例えばベンゼンやトルエンの有機媒体を好適に用いることができる。
6…センサ部
7…制御部
13…蒸気発生器(加熱器)
21…メイン蒸気タービン(第一タービン)
23…復水器(復液器)
27…二次冷却系流路(第一流路)
31…海水流路(冷却用水流路)
41…排熱タービン(第二タービン)
43…熱交換器
43a…海水流通部(冷却用水流通部)
44…排熱系循環ポンプ
45…排熱回収流路(第二流路)
61…流量センサ
62…圧力センサ
63…温度センサ
A…原子力発電プラント(プラントシステム)
C…シリコンオイル(第二熱媒体)
…気相シリコンオイル(第二熱媒体)
…液相シリコンオイル(第二熱媒体)
W2…二次冷却水(第一熱媒体)
W2…気相二次冷却水(第一熱媒体)
W2…液相二次冷却水(第一熱媒体)
W3…海水(冷却用水)

Claims (6)

  1. 液相の第一熱媒体を加熱して気相にする加熱器と、
    前記気相の第一熱媒体で回転駆動される第一タービンと、
    前記第一タービンから排出された前記第一熱媒体を気相から液相に復液する復液器と、
    前記加熱器と前記第一タービンと前記復液器との間に設けられ、前記第一熱媒体を循環させる第一流路と、
    外界から取水した冷却用水が流通すると共に前記冷却用水を介して前記復液器の排熱を前記外界へ放熱する冷却用水流路とを備えたプラントシステムであって、
    前記第一熱媒体よりも低い沸点を有すると共に前記復液器の排熱で液相から気相にされた第二熱媒体で回転駆動される第二タービンと、
    前記第二タービンから排出された前記第二熱媒体と前記冷却用水との間で熱交換をさせて前記第二熱媒体を気相から液相にすると共に前記第二熱媒体を介して前記冷却用水に前記復水器の排熱を吸収させる熱交換器と、
    前記復液器と前記第二タービンと前記熱交換器との間に設けられ、前記第二熱媒体を循環させる第二流路とを備えることを特徴とするプラントシステム。
  2. 前記第二熱媒体は、有機溶液であることを特徴とする請求項1に記載のプラントシステム。
  3. 前記復液器における第一熱媒体の状態量を計測するセンサ部と、
    前記センサ部の計測値に基づいて、前記第二熱媒体の流量を制御する制御部とを備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントシステム。
  4. 前記センサ部は、前記第一熱媒体の流量を計測する流量センサと前記第一熱媒体の圧力を計測する圧力センサとを備え、
    前記制御部は、予め求めた前記第一熱媒体の圧力と温度との関係、及び、前記圧力センサの計測値から前記第一熱媒体の温度推定値を求め、前記流量センサ及び前記圧力センサの計測値と前記温度推定値とから前記第二熱媒体の流量を制御することを特徴とする請求項3に記載のプラントシステム。
  5. 前記センサ部は、前記第一熱媒体の流量を計測する流量センサと前記第一熱媒体の温度を計測する温度センサとを備え、
    前記制御部は、予め求めた前記第一熱媒体の圧力と温度との関係、及び、前記温度センサの計測値から前記第一熱媒体の圧力推定値を求め、前記流量センサ及び前記温度センサの計測値と前記圧力推定値とから前記第二熱媒体の流量を制御することを特徴とする請求項3に記載のプラントシステム。
  6. 前記熱交換器は、前記冷却用水流路の冷却用水が流通する冷却用水流通部を備え、
    前記冷却用水流通部が取り外し可能であることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか一項に記載のプラントシステム。
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JP2014206148A (ja) * 2013-04-16 2014-10-30 株式会社神戸製鋼所 排熱回収装置

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