JP2013011182A - 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、蒸発器内部及び凝縮器内部における廃熱媒体及び冷却媒体の凍結を防止する。
【解決手段】蒸発器１及び凝縮器３よりも下方に設けられる排出機構４０を備える。
【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

ところで、廃熱発電装置が稼働している状態では、廃熱媒体流路配管を介して連続して蒸発器に廃熱媒体が供給され、冷却媒体流路配管を介して連続して凝縮器に冷却媒体が供給される。このため、蒸発器には常に廃熱媒体が満たされた状態であり、凝縮器には常に冷却媒体が満たされた状態となっている。
一方で、廃熱発電装置が停止された場合には、廃熱媒体及び冷却媒体の流れが停止するものの、排出側の廃熱媒体流路配管には廃熱媒体が滞留し、排出側の冷却媒体流路配管には冷却媒体が滞留した状態となる。この結果、蒸発器内部の廃熱媒体、凝縮器内部の冷却媒体は、これらの機器の外部に排出されず、蒸発器内部及び凝縮器内部に残存することとなる。

通常であれば、これらの蒸発器内部及び凝縮器内部に残存する廃熱媒体及び冷却媒体は、廃熱発電装置が再稼働された際に新たな廃熱媒体及び冷却媒体が蒸発器及び凝縮器から排出されるため何ら問題とならない。
しかしながら、廃熱発電装置が寒冷地等の低温環境に設置されている場合には、廃熱発電装置が停止している間に、蒸発器内部及び凝縮器内部に残存する廃熱媒体及び冷却媒体が冷却されて凍結し、再稼働の際に廃熱媒体及び冷却媒体の流れを取り戻すのに時間がかかってしまう。また、一般的には廃熱媒体及び冷却媒体として水を用いるため、凍結による体積膨張により蒸発器及び凝縮器を損傷する可能性もある。

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、蒸発器内部及び凝縮器内部における廃熱媒体及び冷却媒体の凍結を防止す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、少なくとも一部が上記蒸発器よりも下方に位置すると共に上記蒸発器に接続される廃熱媒体流路配管と、少なくとも一部が上記凝縮器よりも下方に位置すると共に上記凝縮器に接続される冷却媒体流路配管と上記廃熱媒体流路配管の上記蒸発器よりも下方の部位及び上記冷却媒体流路配管の上記凝縮器よりも下方の部位に設けられると共に開放することにより上記廃熱媒体流路配管あるいは上記冷却媒体流路配管の内部媒体を外部に排出する排出機構と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２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記廃熱媒体流路配管及び上記冷却媒体流路配管に設けられると共に開放することにより上記廃熱媒体流路配管及び上記冷却媒体流路配管に外気を通気可能とする通気機構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、上記通気機構が、上記廃熱媒体流路配管及び上記冷却媒体流路配管の最上部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、開閉可能な排出機構が蒸発器及び凝縮器の下方に設けられている。このため、排出機構を開放することによって、重力の作用により廃熱媒体流路配管内部及び蒸発器内部の廃熱媒体と、冷却媒体流路配管内部及び凝縮器内部の冷却媒体とを外部に排出することができる。
したがって、廃熱発電装置の停止中に、蒸発器内部及び凝縮器内部において廃熱媒体及び冷却媒体が凍結することを防止することができる。

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。 本発明の一実施形態における廃熱発電装置が備える蒸発器、凝縮器、温水供給配管、温水回収配管、冷却水供給配管及び冷却水回収配管を含む要部斜視図である。 図４を反対側から見た斜視図である。 本発明の一実施形態における廃熱発電装置が備える蒸発器、凝縮器、温水供給配管、温水回収配管、冷却水供給配管及び冷却水回収配管を含む要部断面図である。

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（廃熱媒体流路配管）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（廃熱媒体流路配管）とを備えている。
図４は、蒸発器１、凝縮器３、温水供給配管１１及び温水回収配管１２と、後述の冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５とを含む要部斜視図である。この図に示すように、温水回収配管１２は、蒸発器１の下方に配置されている。ここで、温水供給配管１１及び温水回収配管１２は、本発明の廃熱媒体流路配管を構成する。つまり、本実施形態においては、廃熱媒体流路配管の一部が蒸発器１よりも下方に設けられており、この蒸発器１よりも下方に設けられた部位が温水回収配管１２となっている。

そして、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。

なお、図４に示すように、温水供給配管１１及び温水回収配管１２は、略同一形状に形状設定されており、蒸発器１における温水Ｘの入口１ａあるいは出口１ｂに接続される枝管２０と、当該枝管２０の開口端周りに形成されると共に蒸発器１と当接するフランジ２１とを備えている。

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（冷却媒体流路配管）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（冷却媒体流路配管）とを備えている。
図５は、図４を反対側から見た斜視図である。この図に示すように、冷却水供給配管１４は、凝縮器３よりも下方に配置されている。ここで、冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５は、本発明の冷却媒体流路配管を構成する。つまり、本実施形態においては、冷却媒体流路配管の一部が凝縮器３よりも下方に設けられており、この凝縮器３よりも下方の部位が冷却水供給配管１４となっている。

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。

なお、図５に示すように、冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５は、略同一形状に形状設定されており、凝縮器３における冷却水Ｚの入口３ａあるいは出口３ｂに接続される枝管３０と、当該枝管３０の開口端周りに形成されると共に凝縮器３と当接するフランジ３１とを備えている。

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。

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。

そして、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、図６に示すように、排出機構４０と、通気機構５０とを備えている。
なお、図６は、蒸発器１、凝縮器３、温水供給配管１１、温水回収配管１２、冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５を含む要部断面図である。

排出機構４０は、温水回収配管１２の下部に設けられることにより蒸発器１よりも下方に配置されており、開放されることにより温水Ｘを温水回収配管１２の外部に排出するものである。なお、排出機構４０による温水Ｘの排出は、廃熱発電装置Ｇが停止され、温水Ｘの温度が十分に低下してから行う。

また、排出機構４０は、冷却水供給配管１４に対しても設けられている。この排出機構４０は、冷却水供給配管１４の下部に設けられることにより凝縮器３よりも可能に配置されており、開放されることにより冷却水Ｚを冷却水供給配管１４の外部に排出するものである。

そして、排出機構４０は、図６に示すように、温水回収配管１２あるいは冷却水供給配管１４の下部に接続される排出配管４１と、当該排出配管４１の開閉を行うバルブ４２とを備えている。バルブ４２によって排出配管４１を開放することによって温水Ｘあるいは冷却水Ｚが温水回収配管１２の外部に排出される。

このような排出機構４０が開放されることによって、温水回収配管１２内部の温水Ｘが温水回収配管１２の内部から流れ出し、また冷却水供給配管１４内部の冷却水Ｚが冷却水供給配管１４の内部から流れ出し、これに連動して蒸発器１及び温水供給配管１１内部の温水Ｘと、凝縮器３及び冷却水回収配管１５内部の冷却水Ｚも流れ出す。

通気機構５０は、温水供給配管１１に設けられると共に開放されることにより外気を温水供給配管１１の内部に通気可能とするものである。
この通気機構５０は、温水供給配管１１のフランジ２１の上部に設けられる通気通路５１と、当該通気通路５１の開閉を行うバルブ５２とを備えており、温水供給配管１１と温水回収配管１２とによって構成される廃熱媒体流路配管の最上部に設けられている。

また、通気機構５０は、冷却水回収配管１３に対しても設けられている。この冷却水回収配管１３に設けられた通気機構５０は、開放されることにより外気を冷却水回収配管１３の内部に通気可能とするものである。この通気機構５０は、冷却水回収配管１３のフランジ３１の上部に設けられる通気通路５１と、当該通気通路５１の開閉を行うバルブ５２とを備えている。

このような通気機構５０が開放されることによって、温水供給配管１１及び冷却水回収配管１３を介して、蒸発器１及び凝縮器３内部にも外気が供給され、蒸発器１内部の温水Ｘ及び凝縮器３内部の冷却水Ｚを容易に外部に排出することが可能となる。

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によれば、開閉可能な排出機構４０が蒸発器１及び凝縮器３の下方に設けられている。このため、排出機構４０を開放することによって、重力の作用により廃熱媒体流路配管（温水回収配管１２）内部及び蒸発器１内部の温水Ｘ（廃熱媒体流路配管の内部媒体）と、冷却媒体流路配管（冷却水供給配管１４）内部及び凝縮器３内部の冷却水Ｚ（冷却媒体流路配管の内部媒体）とを外部に排出することができる。
したがって、廃熱発電装置Ｇの停止中に、蒸発器１内部及び凝縮器３内部において温水Ｘ及び冷却水Ｚが凍結することを防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、廃熱媒体流路配管（温水供給配管１１及び温水回収配管１２）及び冷却媒体流路配管（冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５）に外気を通気可能とする通気機構５０を備える。
このため、廃熱媒体流路配管（温水供給配管１１及び温水回収配管１２）内部及び蒸発器１内部の温水Ｘと、冷却媒体流路配管（冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５）内部及び凝縮器３内部の冷却水Ｚとをスムーズに外部に排出することができる。

さらに、通気機構５０が、廃熱媒体流路配管（温水供給配管１１及び温水回収配管１２）及び冷却媒体流路配管（冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５）の最上部に設けられている。
このため、温水Ｘ及び冷却水Ｚに邪魔されることなく、外気を廃熱媒体流路配管（温水供給配管１１及び温水回収配管１２）及び冷却媒体流路配管（冷却水供給配管１４及び冷却水回収配管１５）の内部に供給することができる。

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、上記実施形態におけるバルブの形態は一例であり、異なるバルブを用いることも可能である。
また、１つの流路配管に対して、排出機構４０や通気機構５０を複数設けるようにしても良い。

１……蒸発器、２……タービン発電機（発電装置）、３……凝縮器、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（廃熱媒体流路配管）、１２……温水回収配管（廃熱媒体流路配管）、１３……循環配管、１４……冷却水供給配管（冷却媒体流路配管）、１５……冷却水回収配管（冷却媒体流路配管）、２１……フランジ、３１……フランジ、４０……排出機構、４１……排出配管、４２……バルブ、５０……通気機構、５１……通気通路、５２……バルブ、Ｘ……温水（廃熱媒体）、Ｙ……作動媒体、Ｚ……冷却水（冷却媒体）

Claims (3)

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、
   少なくとも一部が前記蒸発器よりも下方に位置すると共に前記蒸発器に接続される廃熱媒体流路配管と、
   少なくとも一部が前記凝縮器よりも下方に位置すると共に前記凝縮器に接続される冷却媒体流路配管と
   前記廃熱媒体流路配管の前記蒸発器よりも下方の部位及び前記冷却媒体流路配管の前記凝縮器よりも下方の部位に設けられると共に開放することにより前記廃熱媒体流路配管あるいは前記冷却媒体流路配管の内部媒体を外部に排出する排出機構と
   を備えることを特徴とする廃熱発電装置。
2. 前記廃熱媒体流路配管及び前記冷却媒体流路配管に設けられると共に開放することにより前記廃熱媒体流路配管及び前記冷却媒体流路配管に外気を通気可能とする通気機構を備えることを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
3. 前記通気機構は、前記廃熱媒体流路配管及び前記冷却媒体流路配管の最上部に設けられていることを特徴とする請求項２記載の廃熱発電装置。

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