JP2013024122A - 複圧式ラジアルタービンシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吸入した液相熱媒体を各々異なる圧力に昇圧させる高圧ポンプ21H及び低圧ポンプ21Lと、高圧ポンプ21H及び低圧ポンプ21Lから各々送出された液相熱媒体を高温熱源から吸熱して気化させる高圧蒸発器23H及び低圧蒸発器23Lと高圧蒸発器23H及び低圧蒸発器23Lから各々供給された圧力及び温度の異なる気相熱媒体を膨張させて出力を得る1台の複圧式ラジアルタービン25と、複圧式ラジアルタービン25で膨張した気相熱媒体を低圧熱源に放熱して凝縮させる凝縮器27とを備え、熱媒体が気液の状態変化を繰り返して循環するサイクル回路Cを形成した。
【選択図】図1
Description
図7は、バイナリー発電Baの構成例を示すブロック図である。図示のバーナリー発電Baにおいて、熱媒体が循環して状態変化を繰り返すサイクル回路は、熱媒体を昇圧するポンプ11と、高温熱源から熱を受け取って熱媒体を蒸気にする蒸発器13と、高圧及び高温の熱媒体蒸気を膨張させて熱エネルギーを回転動力に変換するタービン15と、膨張しエネルギーを放出した低温の熱媒体を再度液体に凝縮させる凝縮器17とを備え、各機器間が配管により接続された閉回路に構成されている。
この場合、凝縮器17で熱を吸収する側の低温熱源(温度レベルTC)には、たとえば大気、河川水、海水等のように、大気温度の空気や水が使用される。また、海洋温度差発電(OTEC)では、この低温熱源として海底の低温海水が使用される。
図示のサイクルで得られるタービン15の出力は、発電機19を駆動する発電用の動力として使用される。すなわち、温度レベルTWの高温熱源及び温度レベルTCの低温熱源と熱交換して循環する熱媒体は、タービン15にて膨張(エキスパンジョン)して発電機19を駆動する仕事をし、この仕事が電力として利用されることとなる。
従って、中低温の高温熱源及び低温熱源が与えられた時、図示のバイナリーサイクルを利用して最大の電力を発生させるように工夫がなされており、その主要パラメータとなるのは、熱媒体の蒸発圧力P1及び凝縮圧力P2である。このような蒸発圧力P1及び凝縮圧力P2の圧力設定を適切に選定することは、工業上一般的に行われていることである。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ランキンサイクルを用いたバイナリー発電システム等の高効率化及び低コスト化を可能にする複圧式ラジアルタービンシステムを提供することにある。すなわち、本発明は、熱媒体の蒸発温度を複数設定してタービンから高出力を得るランキンサイクル、そして、このランキンサイクルを簡易な構造で実現可能な複圧式ラジアルタービンシステムを提供するものである。
本発明に係る複圧式ラジアルタービンシステムは、吸入した液相熱媒体を各々異なる圧力に昇圧させる複数台のポンプと、該ポンプから各々送出された液相熱媒体を第1の熱源から吸熱して気化させる複数台の蒸発器と、該蒸発器から各々供給された圧力及び温度の異なる気相熱媒体を膨張させて出力を得る1台の複圧式ラジアルタービンと、該複圧式ラジアルタービンで膨張した気相熱媒体を前記第1の熱源より低温となる第2の熱源に放熱して凝縮させる凝縮器とを備え、熱媒体が気液の状態変化を繰り返して循環するサイクル回路を形成したことを特徴とするものである。
この場合、前記タービン入口は、複数の気相媒体導入入口圧力が前記タービン出口へ向けて順次低くなるように配置されているものでもよいし、あるいは、複数の気相媒体導入入口圧力が前記タービン出口へ向けて順次高くなるように配置されているものでもよい。
図1は、複圧式ラジアルタービンシステムの一例として2圧式バイナリーサイクル発電システム(以下、「2圧式バイナリー発電」と呼ぶ)の構成例を示すブロック図、図2は、2圧式バイナリー発電のT−S線図である。図示の2圧式バイナリー発電Bbは、熱媒体が異なる2種類の圧力及び温度で循環し、液体及び気体の状態変化を繰り返すように構成されたランキンサイクルのサイクル回路Cを備えている。
複圧式ラジアルタービン25の出力軸には発電機29が接続されており、従って、複圧式ラジアルタービン25の出力は発電機29を駆動する発電用の動力として使用される。
低圧蒸発器23Lは、低圧ポンプ21Lから圧送されてきた低圧BLの液相媒体と、高圧蒸発器23Hから供給されてきた熱源温度TW2の高温熱源流体との熱交換により、吸熱側の液相媒体を蒸発(気化)させて圧力PL、温度TLの低圧気相媒体とする。すなわち、高温熱源から供給される高温熱源流体の流路は、高温蒸発器23Hと低温蒸発器23Lとが直列に接続されており、低圧蒸発器23Lでは、高温蒸発器23Hにおける熱交換で熱源温度がTW1からTW2に低下した高温熱源流体を導入して熱交換に使用する。
複圧式ラジアルタービン25内で膨張して仕事をした高圧気相媒体及び低圧気相媒体は、いずれも温度及び圧力が低下した気相媒体となり、タービン内部で合流してタービン出口から凝縮器27へ導かれる。
一方、熱源流体を加熱する側の高温熱源(第1の熱源)には、たとえばプラント等の排熱、余剰熱及び地熱等から供給され、温度レベルTW1で略一定の比熱を有する熱源流体が使用される。
また、凝縮器27で熱を吸収する側の温度レベルTCの低温熱源(第2の熱源)には、たとえば大気、河川水、海水等のように、大気温度の空気や常温の水等が使用される。
なお、海洋温度差発電においては、高温熱源として海洋表層の温水を使用し、低温熱源として深海の冷水を使用する。
図示の複圧式ラジアルタービン25は、高圧タービン25Hを構成する高圧タービン入口251と、低圧タービン25Lを構成する低圧タービン入口253とを有し、1つの回転軸255に設けられた1つのラジアルタービンホイール257で構成される。このラジアルタービンホイール257は、ケーシング内に回転可能に支持されている。
なお、ラジアルタービンホイール257としては、ラジアルタービンホイールまたは斜流タービンホイールのいずれであってもよい。
高圧タービンホイール入口259は、半径R1に設けられている。また、低圧タービンホイール入口261は、ラジアルタービンホイール257内の流路を構成するタービン翼のシュラウドの一部から流れが流入できるように、高圧タービンホイール入口半径R1の半径より小さい半径R2(R1>R2)に設けられている。
すなわち、高圧タービン25Hでは、高圧タービン入口251から流入した高圧気相媒体が、高圧ノズル265を通過することにより旋回速度を増し、高圧タービンホイール入口259からラジアルタービンホイール257のタービン翼に向けて流出し、低圧タービン25Lでは、低圧タービン入口253から流入した低圧気相媒体が、低圧ノズル267を通過することにより旋回速度を増し、低圧タービンホイール入口261からラジアルタービンホイール257のタービン翼に向けて流出する。
そして、タービン出口263の下流には、熱媒体の熱を低温熱源に放出(放熱)して凝縮させる熱交換器の機能を有する凝縮器27が配置されている。
凝縮器27の下流には、液化した熱媒体を第1の熱交に供給する圧力まで昇圧する高圧ポンプ21Hと、熱媒体を第2の熱交に供給する圧力まで昇圧する低圧ポンプ21Lとを有している。
一方の高圧サイクルでは、液相媒体が高圧ポンプ21Hで高圧BHまで昇圧され、高温熱源が温度TW1から温度TW2に低下する際の放熱によって加熱される。この結果、液相媒体は、高圧熱媒体の飽和温度THまで昇温され、一定温度THで蒸発して気相媒体の蒸気になる。この気相媒体は、高圧PH及び高温THの蒸気となって高圧タービン25Hに流入し、凝縮圧力であるタービン出口圧力Pdまで膨張し、その際に気相媒体の保有するエネルギーが回転動力に変換される。
このような2つのサイクルを構成する高圧タービン25Hと低圧タービン25Lには、1台の複圧式ラジアルタービン25が使用されているので、それぞれの出力は1つのラジアルタービンホイール257によって回転動力に変換され、1つの回転軸255に出力される。
図3によれば、2圧式バイナリーサイクルの出力値(L/G)は、単圧式バイナリーサイクルと互いの最高値を比較した場合、1割〜2割程度高いことを示している。この出力値(L/G)が最高になる圧力で2圧式バイナリー発電Bbを設計することになるため、ある温度及び流量の高温熱源がある場合には、2圧式サイクルを採用することで単圧式サイクルに比べて1割〜2割程度出力を増すことが可能になる。
図4によれば、2圧式バイナリーサイクルの場合、図2に示す高温熱源出口温度T3を低くすることができるので、高温熱源の放出熱量を大きく設定可能であることが分かる。タービン出力は、高温熱源の出入口における温度差の値に、熱源流量と、熱媒体のランキンサイクルのサイクル効率を掛け合わせたものであり、従って、これを単位熱源流量当たりの値にしたものが図3である。
また、複圧式ラジアルタービン25は、上述した2圧式のランキンサイクルにおいて、高圧気相媒体及び低圧気相媒体を1つのタービンホイールで膨張させ、1つの回転軸に回転エネルギーを出力できる。そして、複圧式ラジアルタービン25での膨張により仕事をした高圧気相媒体及び低圧気相媒体は互いに合流するので、タービンホイール出口263では、気相の熱媒体(蒸気)を1つの出口から下流の凝縮器27に導くことができる。
図示の複圧式ラジアルタービン45は、高圧タービン45Hを構成する高圧タービン入口451と、低圧タービン45Lを構成する低圧タービン入口453とを有し、1つの回転軸455に設けられた1つのタービンホイール457で構成される。なお、ラジアルタービンホイール457としては、ラジアルタービンホイールまたは斜流タービンホイールのいずれであってもよい。
この場合、低圧タービンホイール入口461は、高圧タービンホイール457Hの背板部を貫通する流路を経由して、高圧タービンホイール457Hの背板469をはさんでタービン出口463と反対側に設けられている。また、低圧タービンホイール入口461の半径R2は、高圧タービンホイール入口459の半径R1より小さい値(R2<R1)に設定されている。
また、複圧式ラジアルタービン45を採用した2圧式のランキンサイクルは、1つの回転軸455に設けられた1つのラジアルタービンホイール457で2つの圧力を持つ熱媒体から回転動力を取り出すことができるので、1つの回転軸455及びラジアルタービンホイール457と1つのタービン出口463とにより構成できるため、簡単なシステム構造が可能となる。
また、上述した実施形態では、サイクル回路Cにおいて、熱媒体が異なる2種類の圧力及び温度で循環して液体及び気体の状態変化を繰り返すものとしたが、熱媒体が異なる複数(2種類以上)の温度や圧力で循環するように構成されてもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば複圧式ラジアルタービンの出力を発電機以外の駆動に使用するなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
21L 低圧ポンプ
23H 高圧蒸発器
23L 低圧蒸発器
25,45 複圧式ラジアルタービン
25H,45H 高圧タービン
25L,45L 低圧タービン
27 凝縮器
29 発電機
251,451 高圧タービン入口
253,453 低圧タービン入口
255,455 回転軸
257,457 ラジアルタービンホイール
259,459 高圧タービンホイール入口
261,461 低圧タービンホイール入口
263,463 タービン出口
265,465 高圧ノズル
267,467 低圧ノズル
Bb 2圧式バイナリーサイクル発電システム(2圧式バイナリー発電)
C サイクル回路
Claims (6)
- 吸入した液相熱媒体を各々異なる圧力に昇圧させる複数台のポンプと、該ポンプから各々送出された液相熱媒体を第1の熱源から吸熱して気化させる複数台の蒸発器と、該蒸発器から各々供給された圧力及び温度の異なる気相熱媒体を膨張させて出力を得る1台の複圧式ラジアルタービンと、該複圧式ラジアルタービンで膨張した気相熱媒体を前記第1の熱源より低温となる第2の熱源に放熱して凝縮させる凝縮器とを備え、熱媒体が気液の状態変化を繰り返して循環するサイクル回路を形成したことを特徴とする複圧式ラジアルタービンシステム。
- 前記第1の熱源の流路は、複数台設けられている前記蒸発器を直列に接続して、前記ポンプから送出される液相媒体の高圧側から低圧側に流すことを特徴とする請求項1に記載の複圧式ラジアルタービンシステム。
- 前記複圧式ラジアルタービンがケーシング内で回転する1つのタービンホイールを備え、該タービンホイールは、気相媒体を半径方向から異なる圧力で導入する複圧式ラジアルタービンまたは斜流タービンであり、複数のタービン入口と、膨張した気相媒体を軸方向に吐出する1つのタービン出口とを備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の複圧式ラジアルタービンシステム。
- 前記タービン入口は、複数の気相媒体導入圧力が前記タービン出口へ向けて順次低くなるように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の複圧式ラジアルタービンシステム。
- 前記タービン入口は、複数の気相媒体導入圧力が前記タービン出口へ向けて順次高くなるように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の複圧式ラジアルタービンシステム。
- 前記複圧式ラジアルタービンが発電機を駆動して発電することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の複圧式ラジアルタービンシステム。
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