JP2013007370A - 廃熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動媒体を用いるランキンサイクルを採用する廃熱発電装置において、メンテナンス性及び組立て時における作業性を向上させる。
【解決手段】蒸発器１及び凝縮器３の正面に媒体の出入口が集約されて設けられ、蒸発器１の背面と凝縮器３の背面とが対向するように、蒸発器１と凝縮器３とが対向配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、廃熱発電装置に関する。

従来から、工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られている。このような工場や施設では、発電機を駆動するため、高圧の蒸気を生成しやすいということから約３００℃以上（場合によっては１０００℃近く）の廃熱が発電に用いられており、約３００℃以下の低温廃熱はその多くが依然として大気中に放出されていた。よって、従来は殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーを回収して発電を行えば、更なる省エネルギーを実現することができると考えられている。

以下の特許文献１には、低沸点の作動媒体を用いたランキンサイクルによって、３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置が開示されている。
このようなランキンサイクルを用いる廃熱発電装置では、特許文献１に示すように、廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、発電装置を介した蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を蒸発器に向けて送出するポンプとを備えている。

特開２０００−１１０５１４号公報

しかしながら、低沸点の作動媒体を利用するランキンサイクルを採用する廃熱発電装置では、低沸点作動媒体の流路となる配管、廃熱媒体の流路となる配管、冷却媒体の流路となる配管が設置されるため、配管経路が複雑となる。このため、廃熱発電装置は、メンテナンス性及び組立て時における作業性が悪い。

また、上記廃熱発電装置では、ランキンサイクルを成立させるために、熱交換器（すなわち蒸発器及び凝縮器）が非常に大型化する。
このため、廃熱発電装置のサイズ及び形状は、熱交換器のサイズ及び形状に大きく依存することとなる。このため、廃熱発電装置における形状の自由度が低いという問題も生じる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、作動媒体を用いるランキンサイクルを採用する廃熱発電装置において、メンテナンス性及び組立て時における作業性を向上させることを目的とする。
さらに、本発明は、作動媒体を用いるランキンサイクルを採用する廃熱発電装置において、形状の自由度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、廃熱発電装置に係る第１の解決手段として、廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより上記作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、該蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、該発電装置を介した上記蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより上記蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を上記蒸発器に向けて送出するポンプとを備える廃熱発電装置であって、上記蒸発器が、上記廃熱媒体と上記作動媒体との出入口が集約されて設けられると共に水平方向を向く正面と、当該正面の裏側に位置する背面とを有し、上記凝縮器が、上記冷却媒体と上記作動媒体との出入口が集約されて設けられると共に水平方向を向く正面と、当該正面の裏側に位置する背面とを有し、上記蒸発器の背面と上記凝縮器の背面とが対向するように、上記蒸発器と上記凝縮器とが対向配置されていることを特徴とする。

また、本発明では、廃熱発電装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記蒸発器及び上記凝縮器の少なくともいずれかを複数備えていることを特徴とする。

また、本発明では、廃熱発電装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、上記凝縮器と上記ポンプとの間に配置されると共に上記凝縮器によって凝縮された作動媒体を一時的に貯留するタンクを備えることを特徴とする。

また、本発明では、廃熱発電装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、上記タンクが上記凝縮器の下方に配置されていることを特徴とする。

また、本発明では、廃熱発電装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、上記ポンプが上記作動媒体流路の最下部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器及び凝縮器において、媒体の出入口（廃熱媒体、作動媒体及び冷却媒体の出入口）が各機器の正面に集約されている。このため、熱交換器である蒸発器及び凝縮器における配管の接続作業やメンテナンス作業を、各機器の正面において纏めて行うことができ、廃熱発電装置におけるメンテナンス性及び組立て時の作業性を向上させることができる。

さらに本発明によれば、蒸発器と凝縮器とが、媒体の出入口が設けられていない背面同士を対向させて配置されている。
つまり、本発明においては、メンテナンスや組立て時の作業が行われない領域同士を対向させて配置されている。
このため、廃熱発電装置におけるデットスペースを減少し、廃熱発電装置を小型化することが可能となる。

本発明の一実施形態における廃熱発電装置の全体構成の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における廃熱発電装置の外観を示す斜視図である。 図２における流路配管を省略した斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置Ｇの全体構成の概要を示すブロック図である。また、図２は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置Ｇの外観を示す斜視図である。また、図３は、図２における流路配管を省略した斜視図である。
これらの図に示すように、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１、タービン発電機２（発電装置）、凝縮器３、ポンプ４及びリザーバタンク５（タンク）を備えるランキンサイクルを利用した発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される約３００℃以下の廃熱媒体（温水Ｘ）の熱エネルギーを用いて発電を行う。なお、廃熱媒体は、温水Ｘに限られるものではなく、工場や焼却施設等から放出されるガスを用いることもできる。

蒸発器１は、工場等から放出される温水Ｘとポンプ４から送出される作動媒体Ｙとが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙの蒸気を生成するものである。
蒸発器１は、図２に示すように、複数（本実施形態では２つ）設けられおり、架台６によって支持されて配置されている。
各蒸発器１は、図３に示すように、水平方向を向く正面１Ａと当該正面１Ａの裏側に位置する背面１Ｂとを有する箱型に形状設定されている。そして、各蒸発器１においては、温水Ｘと作動媒体Ｙとの出入口が正面１Ａに集約されて設けられている。より詳細には、各蒸発器１には、温水Ｘの入口１ａと、温水Ｘの出口１ｂと、作動媒体Ｙの入口１ｃと、作動媒体Ｙの出口１ｄとが上述の出入口として設けられている。また、温水Ｘの入口１ａと作動媒体Ｙの出口１ｄとが蒸発器１の上部に並んで配置されており、温水Ｘの出口１ｂと作動媒体Ｙの入口１ｃとが蒸発器１の下部に並んで配置されている。

また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１に温水Ｘを供給するための温水供給配管１１（流路配管）と、蒸発器１から温水Ｘを回収するための温水回収配管１２（流路配管）とを備えている。
そして、図２に示すように、２つの蒸発器１における温水Ｘの入口１ａは、温水供給配管１１に対して並列に接続されている。また、２つの蒸発器１における温水Ｘの出口１ｂは、温水回収配管１２に対して並列に接続されている。つまり、２つの蒸発器１は、温水Ｘの流路配管に対して並列接続されている。

また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、作動媒体Ｙを循環する循環配管１３（作動媒体流路）を備えている。
そして、図２に示すように、２つの蒸発器１における作動媒体Ｙの入口１ｃは、作動媒体Ｙの出口１ｄよりも上流側において循環配管１３に対して並列に接続されている。また、２つの蒸発器１における作動媒体Ｙの出口１ｄは、作動媒体Ｙの入口１ｃよりも下流側において循環配管１３に対して並列に接続されている。つまり、２つの蒸発器１は、作動媒体Ｙの流路配管に対して並列接続されている。

タービン発電機２は、蒸発器１で生成された蒸気を膨張させつつ発電を行うものであり、図２に示すように、循環配管１３の途中部位に配置されている。より詳細には、タービン発電機２は、作動媒体Ｙの流れ方向において、蒸発器１と凝縮器３との間に配置されている。
そして、このタービン発電機２は、架台６に支持されることによって、蒸発器１及び凝縮器３よりも僅かに上方に配置されている。これによって、循環配管１３内で作動媒体Ｙが凝集しても、液体の状態で作動媒体Ｙがタービン発電機２に供給されることを防止できる。

凝縮器３は、冷却水Ｚ（冷却媒体）とタービン発電機２を介した後の蒸気（作動媒体Ｙ）とが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙを凝縮させるものである。

凝縮器３は、図２に示すように、複数（本実施形態では４つ）設けられており、架台６によって支持されて配置されている。
各凝縮器３は、図３に示すように、水平方向を向く正面３Ａと当該正面３Ａの裏側に位置する背面３Ｂとを有する箱型に形状設定されている。そして、各凝縮器３においては、冷却水Ｚと作動媒体Ｙとの出入口が正面３Ａに集約されて設けられている。より詳細には、各凝縮器３には、冷却水Ｚの入口３ａと、冷却水Ｚの出口３ｂと、作動媒体Ｙの入口３ｃと、作動媒体Ｙの出口３ｄとが上述の出入口として設けられている。また、冷却水Ｚの入口３ａと、作動媒体Ｙの出口３ｄとが凝縮器３の下部に並んで配置されており、冷却水Ｚの出口３ｂと、作動媒体Ｙの入口３ｃとが凝縮器３の上部に並んで配置されている。

また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、凝縮器３に冷却水Ｚを供給するための冷却水供給配管１４（流路配管）と、凝縮器３から冷却水Ｚを回収するための冷却水回収配管１５（流路配管）とを備えている。
そして、４つの凝縮器３における冷却水Ｚの入口３ａは、冷却水供給配管１４に対して並列に接続されている。また、４つの凝縮器３における冷却水Ｚの出口３ｂは、冷却水回収配管１５に対して並列に接続されている。つまり、４つの凝縮器３は、冷却水Ｚの流路配管に対して並列に接続されている。

また、４つの凝縮器３における作動媒体Ｙの入口３ｃは、作動媒体Ｙの出口１ｄよりも上流側において循環配管１３に対して並列に接続されている。また、４つの蒸発器１における作動媒体Ｙの出口３ｄは、作動媒体Ｙの入口３ｃよりも下流側において循環配管１３に対して並列に接続されている。つまり、４つの凝縮器３は、作動媒体Ｙの流路配管に対して並列接続されている。

そして、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、図２及び図３に示すように、蒸発器１の背面１Ｂと凝縮器３の背面３Ｂとが対向するように、蒸発器１と凝縮器３とが対向配置されている。
つまり、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、媒体の出入口（廃熱媒体、作動媒体及び冷却媒体の出入口）が蒸発器１及び凝縮器３の正面に集約され、媒体の出入口が設けられていない蒸発器１及び凝縮器３の背面３Ｂ同士が対向されている。

ポンプ４は、凝縮器３で凝縮された作動媒体Ｙを加圧して蒸発器１に向けて送出するものであり、架台６によって支持されて配置されている。
このポンプ４は、図２に示すように、循環配管１３の最下部に配置されており、具体的には作動媒体Ｙの流れ方向においてリザーバタンク５と蒸発器１との間に配置されている。

リザーバタンク５は、作動媒体Ｙを一時的に貯留するものであり、作動媒体Ｙの流れ方向において凝縮器３とポンプ４との間に配置されている。このリザーバタンク５は、循環配管１３の途中部位に接続されており、凝縮器３の下方に配置されるように架台６によって支持されている。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、遮断弁７、バイパス流路８及びバイパス弁９を備えている。
遮断弁７は、緊急時等にタービン発電機２への作動媒体Ｙの供給を停止するものであり、タービン発電機２の上流側において循環配管１３に対して設けられている。
バイパス流路８は、遮断弁７によって循環配管１３が閉鎖された際に作動媒体Ｙをタービン発電機２を回避させて流すための流路であり、タービン発電機２を挟んで循環配管１３に対して接続されている。
バイパス弁９は、バイパス流路８に対して設けられており、遮断弁７が循環配管１３を開放している状態においてバイパス流路８を閉鎖し、遮断弁７が循環配管１３を閉鎖している状態においてバイパス流路８を開放する。

なお、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいて、作動媒体Ｙとしては、約３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを利用した発電を可能とすべく、沸点が低いものを用いることが好ましい。
具体的には、作動媒体Ｙとして、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。

次に、本実施形態の廃熱発電装置Ｇの動作について説明する。
ポンプ４が駆動されると、ポンプ４によって圧送されることで作動媒体Ｙが循環配管１３中を循環する。より詳細には、作動媒体Ｙは、ポンプ４から、蒸発器１、タービン発電機２、凝縮器３、リザーバタンク５の順に圧送されて再びポンプ４に戻る。
一方で、温水供給配管１１を介して蒸発器１に温水Ｘが供給され、冷却水供給配管１４を介して凝縮器３に冷却水Ｚが供給される。このため、蒸発器１において作動媒体Ｙが蒸気とされ、凝縮器３において作動媒体Ｙが凝縮される。

そして、ポンプ４から圧送された作動媒体Ｙは、蒸発器１で蒸発され、蒸気としてタービン発電機２に供給される。タービン発電機２に供給された作動媒体Ｙは、膨張しつつタービン発電機２を駆動する。この結果、タービン発電機２で発電が行われる。タービン発電機２を介した蒸気の作動媒体Ｙは凝縮器３で冷却されることにより凝縮する。凝縮器３によって凝縮された作動媒体Ｙは、ポンプ４によって加圧されて再び蒸発器１に向けて送出される。

このように、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、作動媒体Ｙの蒸発及び凝縮が繰り返されることにより、低温廃熱の廃熱エネルギーを用いた発電が行われる。

次に、以上のような本実施形態の廃熱発電装置Ｇの効果について説明する。
本実施形態の廃熱発電装置Ｇでは、蒸発器１及び凝縮器３において、媒体の出入口（温水Ｘ、作動媒体Ｙ及び冷却水Ｚの出入口）が各機器の正面に集約されている。このため、熱交換器である蒸発器１及び凝縮器３における流路配管の接続作業やメンテナンス作業を、各機器の正面において纏めて行うことができ、廃熱発電装置Ｇにおけるメンテナンス性及び組立て時の作業性を向上させることができる。

さらに本実施形態の廃熱発電装置Ｇによれば、蒸発器１と凝縮器３とが、媒体の出入口が設けられていない背面同士を対向させて配置されている。
つまり、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、メンテナンスや組立て時の作業が行われない領域同士を対向させて配置されている。
このため、廃熱発電装置Ｇにおけるデットスペースを減少し、廃熱発電装置Ｇを小型化することが可能となる。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、蒸発器１及び凝縮器３を複数備えている。
つまり、作動媒体Ｙを複数の蒸発器１に分けて蒸発することができ、また作動媒体Ｙを複数の凝縮器３に分けて凝縮することができる。
このため、非常に大型化の熱交換器を設置する必要がなく、廃熱発電装置のサイズ及び形状を熱交換器のサイズ及び形状に依存させる必要が低減する。このため、廃熱発電装置Ｇにおける形状の自由度を高めることができる。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇのように、作動媒体Ｙを複数の蒸発器１に分けて蒸発することができ、また作動媒体Ｙを複数の凝縮器３に分けて凝縮する構成を採用する場合には、蒸発器１及び凝縮器３の設置数の変更によって、蒸発能力及び凝縮能力の細かな調節を行うことが可能となる。

また、大型の熱交換器は特注品となるため、小型の熱交換器を複数製造するよりも、製造コストが増大する場合もある。これに対して、本実施形態の廃熱発電装置Ｇのように、作動媒体Ｙを複数の蒸発器１に分けて蒸発することができ、また作動媒体Ｙを複数の凝縮器３に分けて凝縮する構成を採用する場合には、小型の熱交換器を用いることとなるため装置コストを低減させることもできる。
なお、蒸発器１及び凝縮器３としては、同じ型の熱交換器を使用することができるため、同じ型の熱交換器を大量生産することによって、装置コストをより低減することができる可能性がある。

さらに、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、温水供給配管１１と、温水回収配管１２とが同一形状の配管とされている。また、冷却水供給配管１４と、冷却水回収配管１５とが同一形状の配管とされている。
このように同一形状の配管を用いることによって、形状の異なる配管を用いる場合よりも、配管１つあたりの単価を下げることができ、装置コストをより低減することができる。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、凝縮器３とポンプ４との間に配置されると共に凝縮器３によって凝縮された作動媒体Ｙを一時的に貯留するリザーバタンク５を備えている。
このため、何らかの原因によって、凝縮器３から排出される作動媒体Ｙが減少した場合であっても、予めリザーバタンク５に溜められた作動媒体Ｙがポンプ４に供給される。よって、ポンプ４においてキャビテーションが発生することを抑止することができる。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、リザーバタンク５が凝縮器３の下方に配置されている。
このため、凝縮器３によって凝縮した作動媒体Ｙが重力の作用によって自然とリザーバタンク５に溜められることとなる。よって、リザーバタンク５に対して常に多くの作動媒体Ｙを貯留することができ、リザーバタンク５が空となることを抑止することができる。

また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、ポンプ４が循環配管１３の最下部に配置されている。
つまり、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいてポンプ４は、最も液体の作動媒体Ｙが集まり易い箇所に配置されている。
このため、ポンプ４に作動媒体Ｙが供給されずにポンプ４においてキャビテーションが発生することを抑止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣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、上記実施形態においては、蒸発器１を２つ、凝縮器を４つ備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、蒸発器１及び凝縮器３を１つ以上備える構成を採用することが可能である。

１……蒸発器、１Ａ……正面、１Ｂ……背面、１ａ……温水の入口、１ｂ……温水の出口、１ｃ……作動媒体の入口、１ｄ……作動媒体の出口、２……タービン発電機（発電装置）、３……凝縮器、３Ａ……正面、３Ｂ……背面、３ａ……冷却水の入口、３ｂ……冷却水の出口、３ｃ……作動媒体の入口、３ｄ……作動媒体の出口、４……ポンプ、５……リザーバタンク（タンク）、６……架台、７……遮断弁、８……バイパス流路、９……バイパス弁、１１……温水供給配管（流路配管）、１２……温水回収配管（流路配管）、１３……循環配管（作動媒体流路）、１４……冷却水供給配管（流路配管）、１５……冷却水回収配管（流路配管）、Ｘ……温水（廃熱媒体）、Ｙ……作動媒体、Ｚ……冷却水（冷却媒体）

Claims (5)

1. 廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより前記作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、該蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、該発電装置を介した前記蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより前記蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプとを備える廃熱発電装置であって、
   前記蒸発器が、前記廃熱媒体と前記作動媒体との出入口が集約されて設けられると共に水平方向を向く正面と、当該正面の裏側に位置する背面とを有し、
   前記凝縮器が、前記冷却媒体と前記作動媒体との出入口が集約されて設けられると共に水平方向を向く正面と、当該正面の裏側に位置する背面とを有し、
   前記蒸発器の背面と前記凝縮器の背面とが対向するように、前記蒸発器と前記凝縮器とが対向配置されている
   ことを特徴とする廃熱発電装置。
2. 前記蒸発器及び前記凝縮器の少なくともいずれかを複数備えていることを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
3. 前記凝縮器と前記ポンプとの間に配置されると共に前記凝縮器によって凝縮された作動媒体を一時的に貯留するタンクを備えることを特徴とする請求項１または２記載の廃熱発電装置。
4. 前記タンクが前記凝縮器の下方に配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の廃熱発電装置。
5. 前記ポンプが前記作動媒体流路の最下部に配置されていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の廃熱発電装置。

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