JP2015117627A - Power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンを利用する発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation system using a gas turbine.
従来のガスタービン発電施設は、大気中の空気を圧縮する圧縮器と、圧縮器により圧縮された高圧の空気に石炭や石油等の化石燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器により燃焼された高温・高圧の空気を膨張させるタービンと、を備えており、タービンから排出された高温の空気が大気に放出されるようになっている(例えば、特許文献1参照)。 Conventional gas turbine power generation facilities include a compressor that compresses air in the atmosphere, a combustor that mixes and burns fossil fuels such as coal and oil with high-pressure air compressed by the compressor, and burns with a combustor And a turbine that expands the high-temperature and high-pressure air that is generated, and the high-temperature air discharged from the turbine is released into the atmosphere (see, for example, Patent Document 1).
ところで、近年、化石燃料を燃焼させることによる環境への悪影響(例えば、再生不可能な化石燃料の消費、二酸化炭素の排出による温室効果など)が問題とされている。特に、日射量が多くて乾燥したサンベルト地帯と呼ばれる乾燥地域が米国、南欧、豪州、アフリカ、中央アジア等の広い範囲に亘って存在するが、このような乾燥地域では、新たに燃焼器を設置すると、新たな熱源の追加となって環境を益々悪化させるという問題がある。 By the way, in recent years, adverse effects on the environment caused by burning fossil fuels (for example, consumption of non-renewable fossil fuels, greenhouse effect due to emission of carbon dioxide, etc.) have been problems. In particular, there are arid areas called sunbelt areas with abundant solar radiation over a wide area such as the United States, Southern Europe, Australia, Africa, and Central Asia. In such arid areas, new combustors are installed. When installed, there is a problem that the environment is further deteriorated by adding a new heat source.
そこで、従来のガスタービン発電施設において、化石燃料を混合して燃焼させることなく空気を加熱する太陽熱による加熱方式を、燃焼器による加熱方式の代わりに採用することが提案されている。特に、サンベルト地帯と呼ばれる乾燥地域は、日射量が多いことから、太陽熱による加熱方式の利用に適している。 In view of this, it has been proposed to employ a solar heating system that heats air without mixing and burning fossil fuel in a conventional gas turbine power generation facility instead of a heating system using a combustor. In particular, an arid region called a sunbelt zone is suitable for the use of a solar heating method because of the large amount of solar radiation.
しかしながら、従来のガスタービン発電施設において、燃焼器による加熱方式を、太陽熱による加熱方式に置き換えるだけでは、タービンから排出された高温の空気が大気に放出されるため、環境への負荷が大きいという問題がある。 However, in a conventional gas turbine power generation facility, simply replacing the heating method by the combustor with the heating method by solar heat releases the high-temperature air discharged from the turbine to the atmosphere, resulting in a large environmental load. There is.
この問題を解決するために、タービンから排出された高温の空気と太陽光集熱設備へと向かう空気とを再生器を通して熱交換させ、タービンから排出された高温の空気を冷却した後で大気に放出することも考えられる。しかしながら、太陽光集熱設備へと向かう圧縮空気は圧縮器により圧縮されることで既に高温となっているため、タービンから排出された空気を再生器において効果的に冷却することはできない。 In order to solve this problem, the high-temperature air exhausted from the turbine and the air going to the solar heat collection facility are exchanged through a regenerator, and the high-temperature air exhausted from the turbine is cooled and then returned to the atmosphere. It is also possible to release it. However, since the compressed air heading for the solar heat collecting facility is already heated by being compressed by the compressor, the air discharged from the turbine cannot be effectively cooled in the regenerator.
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、ガスタービンを利用する発電システムであって、環境への負荷が小さく、かつ、熱効率の面で改良された発電システムを提供することにある。 The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to provide a power generation system using a gas turbine, which has a small environmental load and is improved in terms of thermal efficiency.
本発明は、作動ガスに燃料を混合して燃焼させることなく、当該作動ガスを加熱する加熱部と、前記加熱部により加熱された作動ガスを膨張させることで回転エネルギーを生成するタービンと、前記タービンにより膨張された作動ガスが通る第1流路と、前記加熱部へと向かう作動ガスが通る第2流路と、を有し、前記第1流路を通る作動ガスと前記第2流路を通る作動ガスとの間で熱交換させる再生器と、前記再生器の前記第1流路を通過した作動ガスを吸入することで前記タービンの出口の圧力を減圧する減圧装置と、前記減圧装置から排出される作動ガスを前記再生器の第2流路に導入する循環管と、を備えたことを特徴とする発電システムである。 The present invention includes a heating unit that heats the working gas without mixing the fuel with the working gas and combusts, a turbine that generates rotational energy by expanding the working gas heated by the heating unit, A first flow path through which the working gas expanded by the turbine passes, and a second flow path through which the working gas toward the heating unit passes, and the working gas and the second flow path that pass through the first flow path. A regenerator for exchanging heat with the working gas passing through the pressure reducing device, a pressure reducing device for reducing the pressure at the outlet of the turbine by sucking the working gas that has passed through the first flow path of the regenerator, and the pressure reducing device And a circulation pipe for introducing the working gas discharged from the second flow path of the regenerator.
本発明によれば、減圧装置から排出される作動ガスが、循環管と再生器の第2流路とを順に通って加熱部へと戻され、加熱部において、戻された作動ガスに燃料が混合されて燃焼されることなく、当該作動ガスが再加熱される。これにより、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、排ガスによる大気温度の上昇が抑制され、環境への負荷が低減する。この効果は、サンベルト地帯と呼ばれる乾燥地域において本発明による発電システムが使用される際に、顕著に有用なものである。また、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、系外への放出熱量が減少し、システム全体の熱効率が向上する。 According to the present invention, the working gas discharged from the decompression device passes through the circulation pipe and the second flow path of the regenerator in order to be returned to the heating unit, and in the heating unit, fuel is returned to the returned working gas. The working gas is reheated without being mixed and burned. Thereby, since a high temperature working gas is not discharged | emitted to air | atmosphere, the raise of the atmospheric temperature by exhaust gas is suppressed and the load to an environment reduces. This effect is remarkably useful when the power generation system according to the present invention is used in an arid region called a sun belt area. Further, since the high temperature working gas is not released to the atmosphere, the amount of heat released to the outside of the system is reduced, and the thermal efficiency of the entire system is improved.
また、本発明によれば、タービンは、圧縮されていない作動ガスを膨張させるため、小型であっても要素効率が低下しにくい。また、圧縮されていない作動ガスが再生器の第2流路を通るため、タービンから排出されて第1流路を通る作動ガスは、第2流路を通る作動ガスにより効果的に冷却される。更に、第1流路を通って効果的に冷却された作動ガスが減圧装置に導入されるため、減圧装置における仕事量が低減する。これらにより、システム全体の熱効率は更に一層向上する。 Further, according to the present invention, since the turbine expands the uncompressed working gas, the element efficiency is not easily lowered even if the turbine is small. Further, since the uncompressed working gas passes through the second flow path of the regenerator, the working gas discharged from the turbine and passing through the first flow path is effectively cooled by the working gas passing through the second flow path. . Furthermore, since the working gas effectively cooled through the first flow path is introduced into the decompression device, the work amount in the decompression device is reduced. As a result, the thermal efficiency of the entire system is further improved.
好ましくは、前記加熱部は、太陽熱を熱源として、作動ガスを加熱するようになっている。このような態様によれば、作動ガスに燃料を混合して燃焼させることなく、当該作動ガスをより高温に加熱することが容易である。 Preferably, the heating unit heats the working gas using solar heat as a heat source. According to such an aspect, it is easy to heat the working gas to a higher temperature without mixing the fuel with the working gas and burning it.
また、好ましくは、前記作動ガスは、空気である。このような態様によれば、低コストであると共に、仮に作動ガスが系外に漏れ出すという事故が生じたとしても、環境への負荷が生じないという利点がある。 Preferably, the working gas is air. According to such an aspect, there is an advantage that the cost is low and even if an accident occurs in which the working gas leaks out of the system, there is no load on the environment.
また、好ましくは、前記第1流路を通過して前記減圧装置へと向かう作動ガスが通る第3流路と、冷却用流体が通る第4流路と、を有し、前記第3流路を通る作動ガスと前記第4流路を通る冷却用流体との間で熱交換させる熱交換器を更に備える。このような態様によれば、熱交換器の第3流路を通って更に冷却された作動ガスが減圧装置に導入されるため、減圧装置における仕事量が更に低減し、結果的に、システム全体の熱効率の更なる向上につながる。また、熱交換器の第4流路を通って加熱された冷却用流体が外部で有効利用される場合、システム全体の総合的な効率も向上する。 Preferably, the third flow path includes a third flow path through which the working gas passing through the first flow path and going to the decompression device passes, and a fourth flow path through which a cooling fluid passes. And a heat exchanger for exchanging heat between the working gas passing through and the cooling fluid passing through the fourth flow path. According to such an aspect, since the working gas further cooled through the third flow path of the heat exchanger is introduced into the decompression device, the work in the decompression device is further reduced, and as a result, the entire system This leads to further improvement of the thermal efficiency of the. In addition, when the cooling fluid heated through the fourth flow path of the heat exchanger is effectively used outside, the overall efficiency of the entire system is also improved.
この場合、好ましくは、前記冷却用流体は、冷却水である。このような態様によれば、熱交換器において、冷却水(液体)と作動ガス(気体)との間で熱交換されるため、気体同士の間で熱交換される場合に比べて、熱交換器の構造が単純であり、設備コストが小さい。また、熱交換器で加熱された冷却水(温水)は、例えば、吸着冷凍機における冷熱源や家庭給湯などの広い用途で有効利用され得る。 In this case, preferably, the cooling fluid is cooling water. According to such an aspect, since heat is exchanged between the cooling water (liquid) and the working gas (gas) in the heat exchanger, heat exchange is performed compared to the case where heat is exchanged between the gases. The structure of the vessel is simple and the equipment cost is low. Moreover, the cooling water (hot water) heated by the heat exchanger can be effectively used in a wide range of applications such as a cooling heat source in an adsorption refrigerator and a domestic hot water supply.
あるいは、前記冷却用流体は、冷却ガスであってもよい。この場合、熱交換器で加熱された冷却ガスは、例えば、空調などの広い用途で有効利用され得る。 Alternatively, the cooling fluid may be a cooling gas. In this case, the cooling gas heated by the heat exchanger can be effectively used in a wide range of applications such as air conditioning.
本発明によれば、減圧装置から排出される作動ガスが、循環管と再生器の第2流路とを順に通って加熱部へと戻され、加熱部において、戻された作動ガスに燃料が混合されて燃焼されることなく、当該作動ガスが再加熱される。これにより、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、排ガスによる気温の上昇が抑制され、環境への負荷が低減する。この効果は、サンベルト地帯と呼ばれる乾燥地域において本発明による発電システムが使用される際に、顕著に有用なものである。また、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、系外への放出熱量が減少し、システム全体の熱効率が向上する。 According to the present invention, the working gas discharged from the decompression device passes through the circulation pipe and the second flow path of the regenerator in order to be returned to the heating unit, and in the heating unit, fuel is returned to the returned working gas. The working gas is reheated without being mixed and burned. Thereby, since high temperature working gas is not discharged | emitted to air | atmosphere, the raise of the temperature by exhaust gas is suppressed and the load to an environment reduces. This effect is remarkably useful when the power generation system according to the present invention is used in an arid region called a sun belt area. Further, since the high temperature working gas is not released to the atmosphere, the amount of heat released to the outside of the system is reduced, and the thermal efficiency of the entire system is improved.
また、本発明によれば、タービンは、圧縮されていない作動ガスを膨張させるため、小型であっても要素効率が低下しにくい。また、圧縮されていない作動ガスが再生器の第2流路を通るため、タービンから排出されて第1流路を通る作動ガスは、第2流路を通る作動ガスにより効果的に冷却される。更に、第1流路を通って効果的に冷却された作動ガスが減圧装置に導入されるため、減圧装置における仕事量が低減する。これらにより、システム全体の熱効率は更に一層向上する。 Further, according to the present invention, since the turbine expands the uncompressed working gas, the element efficiency is not easily lowered even if the turbine is small. Further, since the uncompressed working gas passes through the second flow path of the regenerator, the working gas discharged from the turbine and passing through the first flow path is effectively cooled by the working gas passing through the second flow path. . Furthermore, since the working gas effectively cooled through the first flow path is introduced into the decompression device, the work amount in the decompression device is reduced. As a result, the thermal efficiency of the entire system is further improved.
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態による発電システムを示す概略構成図である。
図1に示すように、本実施の形態による発電システム10aは、作動ガスに燃料を混合して燃焼させることなく、当該作動ガスを加熱する加熱部11と、加熱部11により加熱された作動ガスを膨張させることで回転エネルギーを生成するタービン12と、タービン12により膨張された作動ガスが通る第1流路131と、加熱部11へと向かう作動ガスが通る第2流路132と、を有し、第1流路131を通る作動ガスと第2流路132を通る作動ガスとの間で熱交換させる再生器13と、再生器13の第1流路131を通過した作動ガスを吸入することでタービン12の出口の圧力を減圧する減圧装置14と、減圧装置14から排出される作動ガスを再生器13の第2流路132に導入する循環管15と、を備えている。本実施の形態では、作動ガスは、大気に含まれるものと同じ空気である。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、本実施の形態の加熱部11は、タワー型の太陽光集熱設備であり、太陽熱を熱源として、作動ガスを加熱するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
より詳しくは、図1に示すように、加熱部11は、地上に立設されたタワー113と、タワー113の上端部に設けられた集熱器112と、集熱器112に向けて太陽光を反射するリフレクタ(ヘリオスタット)111と、集熱器112から熱を受けて加熱される加熱流路114と、を有している。
More specifically, as shown in FIG. 1, the
リフレクタ111は、地上において、タワー113の周囲に複数設置されており、各リフレクタ111により反射された太陽光が、集熱器112に集められるようになっている。集熱器112は、集められた太陽光を熱(太陽熱)に効率的に変換するようになっている。
A plurality of
なお、集熱器112には、不図示の蓄熱装置が併設されていてもよい。蓄熱装置としては、例えば、溶融塩やセラミックス等が用いられる。集熱器112により生成された熱が蓄熱装置に蓄熱されることで、日照のない時間帯でも熱を利用することが可能となる。
The
図1に示すように、加熱流路114の入口114aは、再生器13の第2流路132の出口132bに接続されており、当該第2流路132の入口132aは、循環管15を介して減圧装置14の出口14bに接続されている。後述するように減圧装置14の出口14bから排出される常圧の空気は、第2流路132を通過した後、加熱流路114の入口114aに流入する。そして、加熱流路114を流れる間に、集熱器112から熱を受けることで高温に加熱されるようになっている。なお、本明細書において、「常圧」とは、発電システム10aの設置環境における大気の圧力をいい、それよりも低い圧力を「負圧」という。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、加熱流路114の出口114bは、タービン12の入口12aに接続されている。タービン12の出口12bの圧力は、減圧装置14により負圧に減圧されている。タービン12は、加熱部11において加熱された常圧の空気を負圧に膨張させることで回転エネルギーを生成するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
タービン12には、減圧装置14と発電機19とがそれぞれ同軸に連結されており、タービン12により生成された回転エネルギーは、発電機19及び減圧装置14の駆動エネルギーとして利用されるようになっている。減圧装置14としては、例えば、軸流圧縮器や遠心圧縮機を使用することができる。
A
タービン12の出口12bは、再生器13の第1流路131の入口131aに接続されており、タービン12により膨張された負圧の空気は、再生器13の第1流路131の入口131aに流入するようになっている。
The
再生器13としては、例えば、伝熱式熱交換器が用いられる。本実施の形態では、第1流路131と第2流路132とは、流れの方向が互いに向かい合うような向きで、隔壁を介して互いに隣接されており、第1流路131を通る負圧の空気と第2流路132を通る常圧の空気との間で隔壁を介して熱交換が行われるようになっている。より詳しくは、第1流路131を通る負圧の空気は、第2流路132を通る常圧の空気により熱回収されることで冷却され、第2流路132を通る常圧の空気は、第1流路131を通る負圧の空気から熱回収することで加熱されるようになっている。
As the
図1に示すように、第1流路131の出口131bは、減圧装置14の入口14aに接続されている。減圧装置14としては、具体的には、例えば、軸流圧縮機又は遠心圧縮機が使用される。減圧装置14は、タービン12の回転エネルギーを受けて駆動され、第1流路131を通過した空気を入口14aから吸入すると共に、常圧の空気を出口14bから排出するようになっている。第1流路131を通過した空気が減圧装置14により吸入されることで、タービン12の出口12bの圧力が負圧に減圧される。
As shown in FIG. 1, the
前述したように、減圧装置14の出口14bは、循環管15を介して再生器13の第2流路132の入口132aに接続されている。これにより、減圧装置14の出口14bから排出される常圧の空気は、循環管15と第2流路132とを順に通って、加熱部11へと戻されるようになっている。
As described above, the
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
まず、図1に示すように、減圧装置14の入口14aから第1流路131内の空気が吸入されることで、タービン12の出口12bの圧力が負圧に減圧されると共に、減圧装置14の出口14bから常圧の空気が排出される。
Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.
First, as shown in FIG. 1, the air in the
減圧装置14の出口14bから排出される常圧の空気は、循環管15を通って、再生器13の第2流路132の入口132aに流入する。
Normal-pressure air discharged from the
再生器13では、第1流路131の入口131aに流入する負圧の空気の温度が、第2流路132の入口132aに流入する常圧の空気の温度よりも高くなっている。そのため、第1流路131を通る負圧の空気から第2流路132を通る常圧の空気へと熱が移動する。これにより、第1流路131を通る負圧の空気は、第2流路132を通る常圧の空気により熱回収されることで冷却される。一方、第2流路132を通る常圧の空気は、第1流路131を通る負圧の空気から熱回収することで加熱される。
In the
第2流路132の出口132bから流出する常圧の空気は、加熱流路114の入口114aに流入する。
Normal pressure air flowing out from the
加熱部11において、リフレクタ111により反射された太陽光が、タワー113の上端部に設けられた集熱器112に集められ、集熱器112において太陽光が熱(太陽熱)に効率的に変換される。そして、加熱流路114を流れる常圧の空気は、集熱器112から熱を受けることで、高温に加熱される。
In the
本実施の形態では、加熱流路114の入口114aに流入する常圧の空気は、再生器13の第2流路132を通って予め加熱されているため、加熱部11において集熱器112が生成する熱量(すなわち、熱源の大きさ)が小さくても、加熱流路114を通る間に高温(例えば、800℃〜1000℃)になるまで容易に加熱され得る。
In the present embodiment, the normal pressure air flowing into the
加熱流路114の出口114bから流出する常圧の空気は、タービン12の入口12aに流入する。
Normal-pressure air that flows out from the
タービン12では、その入口12aから流入する常圧の空気が負圧に膨張されることで回転エネルギーが生成される。生成された回転エネルギーのうち、一部が減圧装置14の駆動エネルギーとして利用され、残りが発電機19の駆動エネルギーとして利用される。
In the
タービン12の出口12bから排出される負圧の空気は、再生器13の第1流路131の入口131aに流入する。
The negative pressure air discharged from the
前述したように、再生器13では、第1流路131を通る負圧の空気から第2流路132を通る常圧の空気へと熱が移動し、第1流路131を通る負圧の空気は冷却される。
As described above, in the
再生器13の第1流路131の出口131bから流出する負圧の空気は、減圧装置14の入口14aに流入する。
Negative pressure air flowing out from the
減圧装置14では、その入口14aから流入する負圧の空気が常圧になるまで復圧される。そして、復圧された常圧の空気が、減圧装置14の出口14bから排出される。前述したように、減圧装置14の出口14bから排出される常圧の空気は、循環管15を通って、再生器13の第2流路132の入口132aに流入する。
In the
以上のような本実施の形態によれば、減圧装置14から排出される作動ガスが、循環管15と再生器13の第2流路132とを順に通って加熱部11へと戻され、加熱部11において、戻された作動ガスに燃料が混合されて燃焼されることなく、当該作動ガスが再加熱される。これにより、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、排ガスによる大気温度の上昇が抑制され、環境への負荷が低減する。この効果は、サンベルト地帯と呼ばれる乾燥地域において本実施の形態による発電システム10aが使用される際に、顕著に有用なものである。また、高温の作動ガスが大気に放出されることがないから、系外への放出熱量が減少し、システム全体の熱効率が向上する。
According to the present embodiment as described above, the working gas discharged from the
また、本実施の形態によれば、タービン12は、圧縮されていない作動ガスを膨張させるため、小型であっても要素効率が低下しにくい。また、圧縮されていない作動ガスが再生器13の第2流路132を通るため、タービン12から排出されて第1流路131を通る作動ガスは、第2流路132を通る作動ガスにより効果的に冷却される。更に、第1流路131を通って効果的に冷却された作動ガスが減圧装置14に導入されるため、減圧装置14における仕事量が低減する。これらにより、システム全体の熱効率は更に一層向上する。
Moreover, according to this Embodiment, since the
また、本実施の形態によれば、作動ガスは空気であるため、低コストであると共に、仮に作動ガスが系外に漏れ出すという事故が生じたとしても、環境への負荷が生じないという利点がある。 Further, according to the present embodiment, since the working gas is air, the cost is low, and even if an accident occurs in which the working gas leaks out of the system, there is an advantage that no environmental load is generated. There is.
また、本実施の形態によれば、加熱部11は、太陽熱を熱源として、作動ガスを加熱するようになっているため、作動ガスに燃料を混合して燃焼させることなく、当該作動ガスをより高温に加熱することが容易である。また、加熱部11に蓄熱装置が併設されることで、日照のない時間帯におけるタイムシフト発電に対応することも可能である。
Further, according to the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、加熱部11として、タワー型の太陽光集熱設備が用いられたが、これに限定されず、ディッシュ型、トラフ型、フレネル型等の他の方式の太陽光集熱設備が用いられてもよい。タワー型やディッシュ型のように太陽光が一点に集められる方式の方が、高温が得られやすいため、好ましい。
In the present embodiment, a tower-type solar heat collecting facility is used as the
また、本実施の形態では、加熱部11は、太陽熱を熱源として作動ガスを加熱するようになっていたが、これに限定されず、例えばマグマを熱源として作動ガスを加熱するようになっていてもよい。この場合も、作動ガスに燃料を混合して燃焼させることなく、当該作動ガスを高温に加熱することが容易である。また、この場合、時間帯や天候によらずに安定的に発電することが可能である。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、作動ガスとして空気が用いられるが、これに限定されず、例えば、空気よりも比熱の高いヘリウムガスやアンモニアガスが作動ガスとして用いられてもよい。この場合、システム全体の熱効率が更に向上し得る。 In the present embodiment, air is used as the working gas. However, the present invention is not limited to this. For example, helium gas or ammonia gas having a higher specific heat than air may be used as the working gas. In this case, the thermal efficiency of the entire system can be further improved.
次に、図2を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2は、本発明の第2の実施の形態による発電システム10bを示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a
図2に示すように、第2の実施の形態による発電システム10bでは、図1に示す第1の実施の形態の構成に加えて、第1流路131を通過して減圧装置14へと向かう作動ガスが通る第3流路161と、冷却用流体が通る第4流路162と、を有し、第3流路161を通る作動ガスと第4流路162を通る冷却用流体との間で熱交換させる熱交換器16が更に設けられている。
As shown in FIG. 2, in the
熱交換器16としては、例えば、伝熱式熱交換器が用いられる。本実施の形態では、第3流路161と第4流路162とは、流れの方向が互いに向かい合うような向きで、隔壁を介して互いに隣接されており、第3流路161を通る作動ガスと第4流路162を通る冷却用流体との間で隔壁を介して熱交換が行われるようになっている。
As the
図2に示すように、第3流路161の入口161aは、第1流路131の出口131bに接続され、第3流路161の出口161bは、減圧装置14の入口14aに接続されている。一方、第4流路162の入口162aは、不図示の冷却水供給部に接続され、第4流路162の出口162bは、不図示の吸着冷凍機に接続されている。なお、減圧装置14としては、第1の実施の形態と同様に、例えば、軸流圧縮機や遠心圧縮機を使用することができる。
As shown in FIG. 2, the
第4流路162の入口162aに流入する冷却水の温度は、第3流路161の入口161aに流入する負圧の空気の温度よりも低くなるように設定されている。そのため、第3流路161を通る負圧の空気から第4流路162を通る冷却水へと熱が移動するようになっている。これにより、第3流路161を通る負圧の空気は、第4流路162を通る冷却水により熱回収されることで冷却される。一方、第4流路162を通る冷却水は、第3流路161を通る負圧の空気から熱回収することで加熱される。
The temperature of the cooling water flowing into the
本実施の形態では、第4流路162の出口162bから流出する冷却水(温水)は、不図示の吸着冷凍機において冷熱源として有効に利用されるようになっている。
In the present embodiment, the cooling water (warm water) flowing out from the outlet 162b of the
その他の構成は図1に示す第1の実施の形態と略同様である。図2において、図1に示す第1の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIG. In FIG. 2, the same parts as those of the first embodiment shown in FIG.
以上のような第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様の作用効果が得られることに加えて、熱交換器16の第3流路161を通って更に冷却された作動ガスが減圧装置14に導入されるため、減圧装置14における仕事量が更に低減し、結果的に、システム全体の熱効率の向上につながる。また、熱交換器16の第4流路を通って加熱された冷却用流体が外部で有効利用されることで、システム全体の総合的な効率も向上する。
According to the second embodiment as described above, in addition to the same effects as those of the first embodiment, it is further cooled through the
また、本実施の形態によれば、熱交換器16において、冷却水(液体)と作動ガス(気体)との間で熱交換されるため、気体同士の間で熱交換される場合に比べて、熱交換器16の構造が単純であり、設備コストが小さい。また、熱交換器16で加熱された冷却水(温水)は、例えば、吸着冷凍機における冷熱源や家庭給湯などの広い用途で有効利用され得る。
Moreover, according to this Embodiment, in the
なお、本実施の形態では、冷却用流体として冷却水が用いられていたが、これに限定されず、冷却用流体として冷却ガスが用いられてもよい。この場合、熱交換器16で加熱された冷却ガスは、例えば、空調などの広い用途で有効利用され得る。
In the present embodiment, the cooling water is used as the cooling fluid. However, the present invention is not limited to this, and a cooling gas may be used as the cooling fluid. In this case, the cooling gas heated by the
次に、具体的な実施例について説明する。
まず、第2の実施の形態による実施例として、大気温度:35℃、第4流路入口の冷却水温度:45℃、第4流路出口の冷却水温度:90℃、タービン入口温度:900℃、圧縮比:3、再生器効率:80%、タービン効率:90%、減圧装置効率:90%、を前提条件として、熱力学に基づいて、各要素間を流れる所定量の作動ガス(空気)の状態変化を計算した。
Next, specific examples will be described.
First, as an example according to the second embodiment, the atmospheric temperature: 35 ° C., the cooling water temperature at the fourth channel inlet: 45 ° C., the cooling water temperature at the fourth channel outlet: 90 ° C., and the turbine inlet temperature: 900 A predetermined amount of working gas (air) flowing between each element based on thermodynamics, on the preconditions of: ° C, compression ratio: 3, regenerator efficiency: 80%, turbine efficiency: 90%, pressure reducing device efficiency: 90% ) State change was calculated.
その結果、図3のフローシートに示すように、第2流路132の入口132a(減圧装置14の出口14b)では、圧力:1barA、温度:190℃であり、第2流路132の出口132bでは、圧力:1barA、温度:557℃であり、タービン12の入口12aでは、圧力:1barA、温度:900℃であり、タービン12の出口12bでは、圧力:0.3barA、温度:648℃であり、第1流路131の出口131bでは、圧力:0.3barA、温度:282℃であり、減圧装置14の入口14aでは、圧力:0.3barA、温度:60℃であった。
As a result, as shown in the flow sheet of FIG. 3, at the
第2の実施の形態による実施例を評価するために、タービン12における仕事をWT、減圧装置14における仕事をWC、加熱部11からの入熱量をΔQ、冷却水による熱回収量をΔQ’とした場合に、下式(1)
η=(WT−WC)/ΔQ …(1)
で示されるプラント熱効率ηと、下式(2)
η’=(WT−WC+ΔQ’)/ΔQ …(2)
で示されるプラント総合効率η’と、をそれぞれ計算した。なお、プラント総合効率η’は、第4流路162の出口162bから流出する冷却水(温水)が全て有効利用された場合の効率を示している。
In order to evaluate the example according to the second embodiment, the work in the
η = (W T −W C ) / ΔQ (1)
The plant thermal efficiency η expressed by the following formula (2)
η ′ = (W T −W C + ΔQ ′) / ΔQ (2)
The plant overall efficiency η ′ shown in FIG. The plant overall efficiency η ′ indicates the efficiency when all the cooling water (hot water) flowing out from the outlet 162b of the
その結果、第2の実施の形態による実施例では、プラント熱効率η:35.3%、プラント総合効率η’:93.5%であった。 As a result, in the example according to the second embodiment, the plant thermal efficiency η: 35.3% and the plant overall efficiency η ′: 93.5%.
図4は、比較例としての発電システム100を示す概略構成図である。図4において、図2に示す第2の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付している。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a
図4に示すように、比較例としての発電システム100では、第2の実施の形態の構成から循環管15が省略されており、第2流路132の入口132a及び減圧装置14の出口14bがそれぞれ大気に開放されている。
As shown in FIG. 4, in the
次に、この比較例としての発電システム100を用いる第1比較例として、第2の実施の形態による実施例と同様の値を前提条件として、各要素間を流れる所定量(第2の実施の形態による実施例と同じ流量)の作動ガス(空気)の状態変化を計算した。
Next, as a first comparative example using the
その結果、図5のフローシートに示すように、第2流路132の入口132aでは、圧力:1barA、温度:35℃であり、第2流路132の出口132bでは、圧力:1barA、温度:525℃であり、タービン12の入口12aでは、圧力:1barA、温度:900℃であり、タービン12の出口12bでは、圧力:0.3barA、温度:648℃であり、第1流路131の出口131bでは、圧力:0.3barA、温度:158℃であり、減圧装置14の入口14aでは、圧力:0.3barA、温度:52℃であり、減圧装置14の出口14bでは、圧力:1barA、温度:179℃であった。
As a result, as shown in the flow sheet of FIG. 5, at the
第1比較例を評価するために、第2の実施の形態による実施例と同様に、上式(1)で示されるプラント熱効率ηと、上式(2)で示されるプラント総合効率η’と、をそれぞれ計算した。 In order to evaluate the first comparative example, similarly to the example according to the second embodiment, the plant thermal efficiency η represented by the above equation (1), and the overall plant efficiency η ′ represented by the above equation (2) , Respectively.
その結果、第1比較例では、プラント熱効率η:33.2%、プラント総合効率η’:58.6%であった。すなわち、第1比較例では、第2の実施の形態による実施例に比べて、プラント熱効率が2.1%、プラント総合効率が35%、低下することが確認された。 As a result, in the first comparative example, the plant thermal efficiency η was 33.2% and the plant overall efficiency η ′ was 58.6%. That is, in the first comparative example, it was confirmed that the plant thermal efficiency was reduced by 2.1% and the overall plant efficiency was reduced by 35% as compared with the example according to the second embodiment.
なお、第2の実施の形態による実施例及び第1比較例では、前提条件として各要素効率及び作動ガスの流量に同じ値を採用したことで、第1比較例における加熱部11からの入熱量(すなわち、加熱流路114の入口114aと出口114bとの間の温度差)が、第2の実施の形態による実施例における加熱部11からの入熱量より大きくなっている、ということには、留意が必要である。
In the example according to the second embodiment and the first comparative example, the same values are adopted as the element efficiency and the flow rate of the working gas as preconditions, so that the amount of heat input from the
ところで、現実の発電システムでは、所定の大きさの熱源(入熱量)または発電量を前提条件として、計画、建設等が行われる。そこで、所定の大きさの熱源または発電量の発電システムを計画、建設する場合に、循環管15を備えた第2の実施の形態による発電システム10bと、循環管15が省略された比較例としての発電システム100と、どちらが有利になるのかを、次に検討する。
By the way, in an actual power generation system, planning, construction, and the like are performed on the assumption that a heat source (amount of heat input) or a power generation amount of a predetermined size. Therefore, as a comparative example in which the
まず、第2の実施の形態による実施例及び第1比較例のように、前提条件として各要素効率に同じ値を採用する場合、作動ガスの流量を同じにすると第1比較例の入熱量の方が大きくなることから、熱源の大きさ(入熱量)を同じにするためには、第1比較例の作動ガスの流量を減少させる必要がある。この場合、第1比較例の方が、流量の減少分だけ発電量が減少することなる。言い換えれば、発電量を同じにするためには、作動ガスの流量を同じにする必要があるから、第1比較例の方が必要とされる熱源の大きさ(入熱量)が大きくなり、すなわち、第1比較例の方が大型の加熱部11が必要となる。
First, when the same value is adopted for each element efficiency as a precondition, as in the example according to the second embodiment and the first comparative example, if the flow rate of the working gas is the same, the heat input amount of the first comparative example is Therefore, in order to make the size of the heat source (heat input amount) the same, it is necessary to reduce the flow rate of the working gas of the first comparative example. In this case, the amount of power generation in the first comparative example is reduced by the amount of decrease in the flow rate. In other words, in order to make the power generation amount the same, it is necessary to make the flow rate of the working gas the same. Therefore, the size of the heat source (heat input amount) required in the first comparative example becomes larger, that is, In the first comparative example, a
次に、比較例としての発電システム100を用いる第2比較例として、加熱部11からの入熱量が第2の実施の形態による実施例における加熱部11からの入熱量と同じ値になるように、再生器効率を85%に上昇させた他は、第2の実施の形態による実施例と同様の値を前提条件として、各要素間を流れる所定量(第2の実施の形態による実施例と同じ流量)の作動ガス(空気)の状態変化を計算した。
Next, as a second comparative example using the
その結果、図6のフローシートに示すように、第2流路132の入口132aでは、圧力:1barA、温度:35℃であり、第2流路132の出口132bでは、圧力:1barA、温度:557℃であり、タービン12の入口12aでは、圧力:1barA、温度:900℃であり、タービン12の出口12bでは、圧力:0.3barA、温度:648℃であり、第1流路131の出口131bでは、圧力:0.3barA、温度:282℃であり、減圧装置14の入口14aでは、圧力:0.3barA、温度:60℃であり、減圧装置14の出口14bでは、圧力:1barA、温度:190℃であった。
As a result, as shown in the flow sheet of FIG. 6, at the
第2比較例を評価するために、第2の実施の形態による実施例及び第1比較例と同様に、上式(1)で示されるプラント熱効率ηと、上式(2)で示されるプラント総合効率η’と、をそれぞれ計算した。 In order to evaluate the second comparative example, the plant thermal efficiency η represented by the above equation (1) and the plant represented by the above equation (2), similarly to the example and the first comparative example according to the second embodiment. The total efficiency η ′ was calculated respectively.
その結果、第2比較例では、プラント熱効率η:36.5%、プラント総合効率η’:56.5%であった。第2比較例では、減圧装置14の入口14aの温度が低下することにより、第2の実施の形態による実施例に比べてプラント熱効率ηが上昇するが、冷却水の回収熱量が減少することにより、第2の実施の形態による実施例に比べてプラント総合効率η’が低下することが確認された。
As a result, in the second comparative example, the plant thermal efficiency η was 36.5%, and the overall plant efficiency η ′ was 56.5%. In the second comparative example, the temperature of the
なお、第2比較例では、第2の実施の形態による実施例に比べてプラント熱効率ηが上昇しているが、第2比較例の前提条件として再生器効率を85%に上昇させていることに留意が必要である。現実の再生器13は、気体同士の熱交換を行うために複雑な構造を有している。そのため、現実の再生器13において再生器効率を上昇させるためには、大きなコストがかかるという不都合がある。すなわち、第2の実施の形態によれば、35%以上のプラント熱効率を達成しながら、低コストであるという有利な効果が得られる。
In the second comparative example, the plant thermal efficiency η is increased as compared with the example according to the second embodiment, but the regenerator efficiency is increased to 85% as a precondition for the second comparative example. It is necessary to pay attention to. The
10a 発電システム
10b 発電システム
11 加熱部
111 リフレクタ
112 集熱器
113 タワー
114 加熱流路
114a 加熱流路の入口
114b 加熱流路の出口
12 タービン
12a タービンの入口
12b タービンの出口
13 再生器
131 第1流路
131a 第1流路の入口
131b 第1流路の出口
132 第2流路
132a 第2流路の入口
132b 第2流路の出口
14 減圧装置
14a 減圧装置の入口
14b 減圧装置の出口
15 循環管
16 熱交換器
161 第3流路
161a 第3流路の入口
161b 第3流路の出口
162 第4流路
162a 第4流路の入口
162b 第4流路の出口
19 発電機
10a
Claims (6)
前記加熱部により加熱された作動ガスを膨張させることで回転エネルギーを生成するタービンと、
前記タービンにより膨張された作動ガスが通る第1流路と、前記加熱部へと向かう作動ガスが通る第2流路と、を有し、前記第1流路を通る作動ガスと前記第2流路を通る作動ガスとの間で熱交換させる再生器と、
前記再生器の前記第1流路を通過した作動ガスを吸入することで前記タービンの出口の圧力を減圧する減圧装置と、
前記減圧装置から排出される作動ガスを前記再生器の第2流路に導入する循環管と、
を備えたことを特徴とする発電システム。 A heating unit that heats the working gas without mixing the fuel with the working gas and burning it;
A turbine that generates rotational energy by expanding the working gas heated by the heating unit;
A first flow path through which the working gas expanded by the turbine passes, and a second flow path through which the working gas toward the heating unit passes, and the working gas and the second flow through the first flow path. A regenerator for exchanging heat with the working gas passing through the path;
A pressure reducing device for reducing the pressure at the outlet of the turbine by sucking the working gas that has passed through the first flow path of the regenerator;
A circulation pipe for introducing the working gas discharged from the decompression device into the second flow path of the regenerator;
A power generation system comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の発電システム。 The power generation system according to claim 1, wherein the heating unit heats the working gas using solar heat as a heat source.
ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の発電システム。 The power generation system according to claim 1, wherein the working gas is air.
を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の発電システム。 A third flow path through which the working gas passing through the first flow path and toward the decompression device passes, and a fourth flow path through which a cooling fluid passes, and a working gas passing through the third flow path; 4. The power generation system according to claim 1, further comprising a heat exchanger that exchanges heat with a cooling fluid that passes through the fourth flow path. 5.
ことを特徴とする請求項4に記載の発電システム。 The power generation system according to claim 4, wherein the cooling fluid is cooling water.
ことを特徴とする請求項4に記載の発電システム。 The power generation system according to claim 4, wherein the cooling fluid is a cooling gas.
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US4280327A (en) * | 1979-04-30 | 1981-07-28 | The Garrett Corporation | Solar powered turbine system |
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