JP2018162671A - バイナリ発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】季節により海水の温度が変化しても海水を利用して温熱流体から有効に発電できるバイナリ発電システムを提供する。【解決手段】温熱ライン３の温熱流体２を供給して発電する高温側ループＩと、高温側ループＩ出口の温熱流体２を導入して発電する低温側ループＩＩと、高温側ループＩに供給する温熱流体２の温度を検出する温熱流体温度計２６と、温熱流体温度計２６の検出温度に基づいて、温熱ライン３の温熱流体２を高温側ループＩを介して低温側ループＩＩに供給する場合と、高温側ループＩに対する温熱流体２の供給を遮断し低温側ループＩＩのみに温熱流体２を供給する場合とに切り替えるライン切替装置２８を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温熱流体を用いたバイナリ発電システム、特に太陽熱利用で得られる温熱流体のように温度が変化する温熱流体から有効に発電できるようにしたバイナリ発電システムに関する。
太陽熱集熱装置と海水淡水設備とを組み合わせたシステムは提案されている(特許文献１)。特許文献１に記載のシステムでは、油類からなる熱媒体を太陽熱集熱装置に供給して加熱し、この加熱した熱媒体を蒸気過熱器で給水と熱交換して得られた蒸気を蒸気タービン発電設備に供給して発電を行う。又、蒸気タービン発電設備を出た蒸気は、復水器において海水を冷却流体として冷却することにより復水し、この水を再び前記蒸気過熱器に給水している。
特開２０１７−００２８３３号公報
しかし、特許文献１のように太陽熱集熱装置によって太陽熱から得られる熱媒体の温度は、季節、天候、昼夜によって大きく変化するため、このように、入熱が大きく変動する場合には追従が難しいと言われるタービン発電設備では有効な発電ができないという課題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなしたものであり、温熱流体の温度が変化した場合にもその温度に応じた運転を行うことにより有効な発電を可能にしたバイナリ発電システムを提供することにある。
本発明は、温熱ラインの温熱流体と熱交換して高温側熱媒体を蒸発させる第１の蒸発器と、該第１の蒸発器の出口の蒸気により駆動する第１のタービン発電機と、該第１のタービン発電機の出口の蒸気を冷却流体との熱交換により蒸気を凝縮して液化する第１の凝縮器とを有する高温側ループと、
前記第１の蒸発器の出口の温熱流体と熱交換して低温側熱媒体を蒸発させる第２の蒸発器と該第２の蒸発器の出口の蒸気により駆動する第２のタービン発電機と、該第２のタービン発電機の出口の蒸気を冷却流体との熱交換により蒸気を凝縮して液化する第２の凝縮器とを有する低温側ループと、
温熱流体の温度を検出する温熱流体温度計と、該温熱流体温度計の検出温度に基づいて、前記温熱ラインの温熱流体を前記高温側ループを介して低温側ループに供給する場合と、前記高温側ループに対する温熱流体の供給を遮断し前記低温側ループのみに温熱流体を供給する場合とに切り替えるライン切替装置と
を備えたバイナリ発電システム、に係るものである。
上記バイナリ発電システムにおいて、前記低温側ループにおける前記第２の凝縮器の出口の冷却流体を、前記高温側ループの前記第１の凝縮器の入口に供給する冷却流体供給流路を備えることができる。
又、上記バイナリ発電システムにおいて、前記温熱ラインは太陽熱集熱装置に接続し、前記第１の蒸発器の出口と前記第２の蒸発器の間は連通ラインにより接続し、前記第２の蒸発器の出口と前記太陽熱集熱装置の間は戻りラインにより接続することができる。
又、上記バイナリ発電システムにおいて、前記連通ラインと前記戻りラインとの間に前記第２の凝縮器を迂回するように設けたバイパスラインと、前記第２の凝縮器の入口の冷却流体の温度を計測する冷却流体温度計と、該冷却流体温度計の検出温度に基づいて、前記連通ラインの温熱流体を前記第２の凝縮器に導く場合と、前記連通ラインの温熱流体を前記第２の凝縮器を迂回して戻りラインに導く場合とに切り替える低温側ループ停止切替装置を備えることができる。
又、上記バイナリ発電システムにおいて、低温側熱媒体はアンモニアであり、高温側熱媒体はフルオロカーボン系の冷媒であるＲ２４５ｆａ(ＨＦＣ２４５ｆａ)、又はＲ１２３４ｚｅ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＦ）、又はＲ１２３４ｚｄ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＣ）、又はＲ１５２ａ（ＨＦＣ１５２ａ）であってよい。
本発明のバイナリ発電システムによれば、温熱流体の温度が変化した場合にもその温度に応じた運転を行うことにより有効な発電ができるという優れた効果を発揮し得る。
本発明に係るバイナリ発電システムの実施例を示す系統図であり、温熱流体の温度が設定温度以上のときの作用図である。 温熱流体の温度が設定温度未満のときの作用図である。 第２の凝縮器の入口の冷却流体の温度が最低温度よりも高いときの作用図である。
以下、本発明に係るバイナリ発電システムについて図１を参照しつつ説明する。
図１は太陽熱を利用したバイナリ発電システムの一例を示すもので、１は太陽熱集熱装置であり、該太陽熱集熱装置１には油等からなる熱媒体２'を供給することにより太陽熱によって加熱し、加熱された温熱流体２は温熱ライン３によりバイナリ発電装置４に供給するようにしている。前記熱媒体２'としては金属配管等に錆を生じさせない油類が好ましいが、太陽熱を回収できるものであれば性状は限定されない。
バイナリ発電装置４は、高温側ループＩと低温側ループＩＩにより構成されている。
前記高温側ループＩは、温熱ライン３からの温熱流体２と熱交換して高温側熱媒体５を蒸発させる第１の蒸発器６を有する。又、前記第１の蒸発器６の出口の蒸気により駆動される第１のタービン発電機７を有する。更に、前記第１のタービン発電機７の出口の蒸気を冷却流体８との熱交換により凝縮して液化する第１の凝縮器９を有する。更に、凝縮器９によって液となった高温側熱媒体５を前記第１の蒸発器６に供給する第１のポンプ１０を有する。
又、前記低温側ループＩＩは、前記第１の蒸発器６の出口の温熱流体２を連通ライン１１により導入し、この連通ライン１１の温熱流体２と低温側熱媒体１２を熱交換して低温側熱媒体１２を蒸発させる第２の蒸発器１３を有する。又、前記第２の蒸発器１３の出口の蒸気により駆動される第２のタービン発電機１４を有する。更に、前記第２のタービン発電機１４の出口の蒸気を冷却流体ポンプ１５から供給される冷却流体８ａとの熱交換により凝縮して液化する第２の凝縮器１６を有する。更に、第２の凝縮器１６によって液となった低温側熱媒体１２を前記第２の蒸発器１３に供給する第２のポンプ１７を有する。
ここで、第２の凝縮器１６に供給する冷却流体８ａには、海水、河川水等を用いることができるが、本発明のバイナリ発電システムを安定運転するためには冷却流体８ａの温度が少なくとも運転可能な最低温度である２５℃よりもできるだけ低いことが好ましい。従って、井戸水、或いは海水の深い深度から汲み上げた深水は有効に用いられる。
前記低温側ループＩＩの前記第２の蒸発器１３から出た温熱流体２は循環ポンプ１８を有する戻りライン１９により前記太陽熱集熱装置１に供給して循環使用するようにしている。
前記低温側ループＩＩにおける前記第２の凝縮器１６の出口の冷却流体８ａは、冷却流体供給流路２０によって前記高温側ループＩの第１の凝縮器９の入口に冷却流体８として供給するようにしている。
温熱流体２を前記高温側ループＩの第１の蒸発器６に導く温熱ライン３には分岐ライン２１が設けてあり、この分岐ライン２１は前記第２の蒸発器１３の入口の連通ライン１１に接続している。前記温熱ライン３には切替弁２２を設け、前記分岐ライン２１には切替弁２３を設け、又、前記連通ライン１１における前記分岐ライン２１が接続された位置の上流側には切替弁２４を設け、下流側には切替弁２５を設けている。
又、前記温熱ライン３における前記第１の蒸発器６の入口には、温熱流体２の温度を検出する温熱流体温度計２６を設けており、該温熱流体温度計２６の検出温度を入力して、前記切替弁２２、２３、２４、２５の開閉を制御する制御器２７を設けている。前記温熱流体温度計２６と、前記制御器２７と、前記切替弁２２、２３、２４、２５によりライン切替装置２８が構成されている。尚、前記第１の蒸発器６の入口に設けた温熱流体温度計２６に代えて、前記太陽熱集熱装置１出口の温熱ライン３に温熱流体温度計２６'を設けるようにしてもよい。
又、前記連通ライン１１と前記戻りライン１９との間には前記第２の蒸発器１３を迂回するバイパスライン２９を設けている。そして、前記第２の蒸発器１３の出口の連通ライン１１には切替弁３０を設け、前記バイパスライン２９には切替弁３１を設けている。更に、前記第２の凝縮器１６の入口の冷却流体８ａの温度を計測する冷却流体温度計３２を設けており、該冷却流体温度計３２の検出温度を入力して、前記切替弁３０、３１の開閉を制御する停止制御器３３を設けている。従って、前記冷却流体温度計３２と、前記停止制御器３３と、前記切替弁３０、３１により低温側ループ停止切替装置３４が構成されている。
低温側熱媒体１２にはアンモニア(沸点：−３３℃)を用いることができる。又、高温側熱媒体５としては、アンモニアよりも沸点が高いフルオロカーボン系の冷媒として知られるＲ２４５ｆａ(ＨＦＣ２４５ｆａ)、又はＲ１２３４ｚｅ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＦ）、又はＲ１２３４ｚｄ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＣ）、又はＲ１５２ａ（ＨＦＣ１５２ａ）等を前記アンモニアと組み合わせて用いることかできる。
本発明は、電力消費量が増加する昼間に発電することを基本にしたものであるが、夜間においても発電を行う場合には、昼間に前記太陽熱集熱装置１で加熱した温熱流体２の熱を蓄熱装置により蓄熱しておき、この蓄熱装置の熱を用いて夜間の発電を行うこともできる。
上記実施例では以下のように作用する。
図１において、太陽熱集熱装置１で加熱された温熱流体２は、バイナリ発電装置４に供給することにより発電を行う。
この時、太陽熱量のバイナリ発電では９０℃前後の温度の温熱流体２から、２５℃前後の冷却流体８ａを用いて発電することが検討されているので、本発明においてもこの条件に基づいて検証を行った。
第１の蒸発器６の入口に設けた温熱流体温度計２６からの検出温度は制御器２７に入力されており、制御器２７は、温熱流体温度計２６の検出温度が例えば９０℃の設定温度以上の場合には、温熱流体２を高温側ループＩを介して低温側ループＩＩに供給するように切り替える。又、温熱流体温度計２６の検出温度が例えば９０℃の設定温度未満の場合には、制御器２７は高温側ループＩに対する温熱流体２の供給を遮断して低温側ループＩＩに温熱流体２を供給するように切り替える。
[第１の蒸発器の入口の温熱流体が設定温度以上のときの運転]
温熱流体温度計２６の検出温度が設定温度(例えば９０℃)以上のときは、ライン切替装置２８の制御器２７は図１に示すように切替弁２３は閉弁(黒塗り)とし、切替弁２２、２４、２５は開弁(白抜き)とする。
太陽熱集熱装置１からの９０℃以上の温熱流体２は温熱ライン３により高温側ループＩの第１の蒸発器６に導かれることにより高温側ループＩでの発電が行われる。更に、高温側ループＩで熱が奪われて例えば５０℃となった温熱流体２は連通ライン１１により低温側ループＩＩの第２の蒸発器１３に導かれることにより低温側ループＩＩでも発電が行われる。
このとき、例えば１５℃の冷却流体８ａが第２の凝縮器１６に供給されて低温側熱媒体１２を液化し、更に、第２の凝縮器１６における熱交換によって例えば２５℃まで温度が上昇した冷却流体８は、冷却流体供給流路２０により前記高温側ループＩの前記第１の凝縮器９の入口に供給されて高温側熱媒体５を液化する。
従って、太陽熱集熱装置１によって９０℃以上の温熱流体２が得られる場合には、高温側ループＩと低温側ループＩＩの両方によって効果的に発電することができる。
[第１の蒸発器の入口の温熱流体が設定温度未満のときの運転]
温熱流体温度計２６の検出温度が設定温度(例えば９０℃)未満のときは、ライン切替装置２８の制御器２７は図２に示すように切替弁２２、２４は閉弁(黒塗り)とし、切替弁２３、２５は開弁(白抜き)とする。
太陽熱集熱装置１からの９０℃未満の温熱流体２は分岐ライン２１により低温側ループＩＩの第２の蒸発器１３に導かれることにより低温側ループＩＩでの発電が行われる。この時、第２の凝縮器１６には例えば１５℃の冷却流体８ａが供給されて低温側熱媒体１２を液化するので、９０℃未満の温熱流体２から有効に発電することができる。このとき、温熱流体２の温度が低温側ループＩＩの第２の凝縮器１６に供給される冷却流体８ａとの温度差から発電可能な例えば４０℃前後までは低温側ループＩＩにより発電することができる。
尚、図２では高温側ループＩによる発電は停止されるので、前記第２の凝縮器１６の出口の冷却流体８ａを破線で示すように排出冷却流体８ａ'として外部に排出すると、冷却流体ポンプ１５の負荷を低減することができる。
[第２の凝縮器の入口の冷却流体の温度が最低温度よりも高いときの運転]
第２の凝縮器１６の入口の冷却流体８ａの温度が最低温度である例えば２５℃よりも高い場合において、高温側ループＩから低温側ループＩＩへ供給される温熱流体２の温度が例えば５０℃よりも低い温度になると、低温側ループＩＩでの発電は不可能になる。
従って、この場合には、図３に示すように、冷却流体温度計３２の検出温度が２５℃よりも高い温度を検出すると、低温側ループ停止切替装置３４の停止制御器３３は、前記検出温度に基づいて、切替弁３０を閉弁(黒塗り)し、切替弁３１を開弁(白抜き)することにより温熱流体２を第２の蒸発器１３を迂回して戻りラインに流す。従って、太陽熱集熱装置１からの温熱流体２が９０℃以上で高温側ループＩにより発電が行われている場合でも、第２の蒸発器１３の入口の温熱流体２の温度が最低温度よりも高くなった場合には低温側ループＩＩによる発電は停止される。
上記実施例では、太陽熱集熱装置１において太陽熱によって加熱される熱媒体２'からなる温熱流体２を用いて発電する場合について説明したが、プラント排出流体、源泉、使用済み温泉流体等を温熱流体して使用する場合には同様に適用することができる。
上記実施例では、高温側ループＩと低温側ループＩＩを備え、温熱ライン３の温熱流体２を高温側ループＩを介して低温側ループＩＩに供給する場合と、高温側ループＩに対する温熱流体２の供給を遮断し、低温側ループＩＩのみに温熱流体２を供給する場合とに切り替えるようにしたライン切替装置２８を備えたので、温熱流体２の温度が変化した場合においてもその温度に応じた運転により有効な発電を行うことが可能になる。
低温側ループＩＩにおける第２の凝縮器１６の出口の冷却流体８ａを、高温側ループＩの第１の凝縮器９の入口に供給する冷却流体供給流路２０を備えたので、冷却流体８ａを有効活用することができると共に、１台の冷却流体ポンプ１５で駆動できるため、設備の簡略化が可能になる。
温熱ライン３は太陽熱集熱装置１に接続し、第１の蒸発器６の出口と第２の蒸発器１３の入口との間は連通ライン１１により接続し、第２の蒸発器１３の出口と太陽熱集熱装置１との間は戻りライン１９により接続したので、熱媒体２'からなる温熱流体２を循環使用することができ、且つ１台の循環ポンプ１８によって循環することができる。
前記第２の蒸発器１３を迂回するバイパスライン２９を設け、第２の蒸発器１３の入口の冷却流体温度計３２の検出温度に基づいて、連通ライン１１の温熱流体２を第２の蒸発器１３に導く場合と、連通ライン１１の温熱流体２を第２の蒸発器１３を迂回して戻りライン１９に導く場合とに切り替える低温側ループ停止切替装置３４を備えたので、第２の蒸発器１３の入口の温熱流体２の温度が最低温度よりも高い場合には低温側ループＩＩによる発電は停止されるようになる。
低温側熱媒体１２にはアンモニアを用い、高温側熱媒体５にはフルオロカーボン系の冷媒であるＲ２４５ｆａ(ＨＦＣ２４５ｆａ)、又はＲ１２３４ｚｅ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＦ）、又はＲ１２３４ｚｄ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＣ）、又はＲ１５２ａ（ＨＦＣ１５２ａ）等を前記アンモニアに対して組み合わせて用いることにより、高温側ループＩＩと低温側ループＩＩによる発電を有効に行うことができる。
尚、本発明のバイナリ発電システムは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
２ 温熱流体
３ 温熱ライン
４ バイナリ発電装置
５ 高温側熱媒体
６ 第１の蒸発器
７ 第１のタービン発電機
８ 冷却流体
８ａ 冷却流体
９ 第１の凝縮器
１０ 第１のポンプ
１１ 連通ライン
１２ 低温側熱媒体
１３ 第２の蒸発器
１４ 第２のタービン発電機
１６ 第２の凝縮器
１７ 第２のポンプ
１８ 循環ポンプ
１９ 戻りライン
２０ 冷却流体供給流路
２１ 分岐ライン
２６ 温熱流体温度計
２７ 制御器
２８ ライン切替装置
２９ バイパスライン
３２ 冷却流体温度計
３３ 停止制御器
３４ 低温側ループ停止切替装置
Ｉ 高温側ループ
ＩＩ 低温側ループ

Claims (5)

  1. 温熱ラインの温熱流体と熱交換して高温側熱媒体を蒸発させる第１の蒸発器と、該第１の蒸発器の出口の蒸気により駆動する第１のタービン発電機と、該第１のタービン発電機の出口の蒸気を冷却流体との熱交換により蒸気を凝縮して液化する第１の凝縮器とを有する高温側ループと、
    前記第１の蒸発器の出口の温熱流体と熱交換して低温側熱媒体を蒸発させる第２の蒸発器と該第２の蒸発器の出口の蒸気により駆動する第２のタービン発電機と、該第２のタービン発電機の出口の蒸気を冷却流体との熱交換により蒸気を凝縮して液化する第２の凝縮器とを有する低温側ループと、
    温熱流体の温度を検出する温熱流体温度計と、該温熱流体温度計の検出温度に基づいて、前記温熱ラインの温熱流体を前記高温側ループを介して低温側ループに供給する場合と、前記高温側ループに対する温熱流体の供給を遮断し前記低温側ループのみに温熱流体を供給する場合とに切り替えるライン切替装置と
    を備えたバイナリ発電システム。
  2. 前記低温側ループにおける前記第２の凝縮器の出口の冷却流体を、前記高温側ループの前記第１の凝縮器の入口に供給する冷却流体供給流路を備えた請求項１に記載のバイナリ発電システム。
  3. 前記温熱ラインは太陽熱集熱装置に接続され、前記第１の蒸発器の出口と前記第２の蒸発器の間は連通ラインにより接続され、前記第２の蒸発器の出口と前記太陽熱集熱装置の間は戻りラインにより接続された請求項１又は２に記載のバイナリ発電システム。
  4. 前記連通ラインと前記戻りラインとの間に前記第２の凝縮器を迂回するように設けたバイパスラインと、前記第２の凝縮器の入口の冷却流体の温度を計測する冷却流体温度計と、該冷却流体温度計の検出温度に基づいて、前記連通ラインの温熱流体を前記第２の凝縮器に導く場合と、前記連通ラインの温熱流体を前記第２の凝縮器を迂回して戻りラインに導く場合とに切り替える低温側ループ停止切替装置を備えた請求項３に記載のバイナリ発電システム。
  5. 低温側熱媒体はアンモニアであり、高温側熱媒体はフルオロカーボン系の冷媒であるＲ２４５ｆａ(ＨＦＣ２４５ｆａ)、又はＲ１２３４ｚｅ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＦ）、又はＲ１２３４ｚｄ（ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＣ）、又はＲ１５２ａ（ＨＦＣ１５２ａ）である請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイナリ発電システム。
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