JP2019078212A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイナリー発電設備と原動機発電設備とを備え、バイナリー発電設備が原動機発電設備からの排熱と地熱とを利用する発電システムを提供する。【解決手段】本発明に係る発電システム１は、第１熱媒体を流すための第１熱媒体ラインＬ１、作動媒体を循環させるための作動媒体ラインＷ１、第１熱媒体ラインＬ１と作動媒体ラインＷ１とが設けられると共に作動媒体を蒸発させるための蒸発器１１、及び、作動媒体ラインＷ１が設けられ蒸発器１１よりも下流側に配置されると共に蒸発器１１で蒸発した作動媒体を用いて発電を行うための発電機１２を有するバイナリー発電設備１０と、発電を行うための原動機２１、原動機２１で生成された第２熱媒体を流すための第２熱媒体ラインＬ２、及び第１熱媒体ラインＬ１と第２熱媒体ラインＬ２とが設けられると共に第２熱媒体によって第１熱媒体を加熱するための加熱器２２を有する原動機発電設備２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関する。

離島といった地域においては、ディーゼルエンジンなどの原動機を用いて発電を行う原動機発電設備が当該地域の電気需要を賄っている。一方、当該地域においては、昨今の再生可能エネルギー導入の機運の高まりから地熱資源を利用したバイナリー発電設備を用いた地熱発電所の導入が検討され始めている。バイナリー発電設備は、有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle；ＯＲＣ）を採用し、発電設備の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で生成された作動媒体の蒸気により発電を行う発電機とを備える。特許文献１は、ガスタービンの熱回収蒸気発生器と有機ランキンサイクル装置との複合サイクル発電プラントを開示しており、特許文献２は、原子力、火力発電設備からの排熱を利用するバイナリー発電を開示している。

特開２０１１−１０６４５９号公報 特開２００５−１３３７０２号公報

バイナリー発電設備においては、原動機発電設備の排熱が蒸発器に供給されるとき、この排熱を利用して蒸発器内で生成された作動媒体の蒸気により発電を行うことができる。また、地熱の熱源が原動機発電設備の排熱の近くにあれば、双方の熱源によるバイナリー発電が可能になる。

本発明は、バイナリー発電設備と原動機発電設備とを備え、バイナリー発電設備が原動機発電設備の排熱と地熱とを利用する発電システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る発電システムは、第１熱媒体を流すための第１熱媒体ライン、作動媒体を循環させるための作動媒体ライン、第１熱媒体ラインと作動媒体ラインとが設けられると共に作動媒体を蒸発させるための蒸発器、及び、作動媒体ラインが設けられ蒸発器よりも下流側に配置されると共に蒸発器で蒸発した作動媒体を用いて発電を行うための発電機を有するバイナリー発電設備と、発電を行うための原動機、原動機で生成された第２熱媒体を流すための第２熱媒体ライン、及び第１熱媒体ラインと第２熱媒体ラインとが設けられると共に第２熱媒体によって第１熱媒体を加熱するための加熱器を有する原動機発電設備と、を備え、第１熱媒体ラインは、熱源から蒸発器に第１熱媒体を供給すると共に蒸発器から加熱器に第１熱媒体を供給し、第１熱媒体ラインは、加熱器よりも下流側において、第１熱媒体ラインの蒸発器よりも上流側に接続されて循環流路を形成すると共に、加熱器から蒸発器に第１熱媒体を供給し、第２熱媒体ラインは、原動機から加熱器に第２熱媒体を供給する。

この発電システムでは、例えば地熱といった熱源からの地熱熱水を第１熱媒体として用いて、バイナリー発電設備の蒸発器において作動媒体を蒸発させる。第１熱媒体ラインは、熱源から蒸発器に第１熱媒体を供給し、また、原動機の排ガスを含む第２熱媒体によって加熱された第１熱媒体を蒸発器に供給する。第２熱媒体によって加熱された第１熱媒体を利用してバイナリー発電が行われるので、第１熱媒体を利用したバイナリー発電設備による発電量が、原動機発電設備による発電量を軽減することができる。原動機のための燃料が削減され、発電コストが削減される。また、原動機から発生する二酸化炭素の削減が可能となる。また、第１熱媒体ラインが加熱器よりも下流側において第１熱媒体ラインの蒸発器よりも上流側に接続されるので、第１熱媒体ラインが加熱器からの第１熱媒体と熱源からの第１熱媒体とを共に流す部分を有する。加熱器で加熱される第１熱媒体と熱源で加熱される第１熱媒体とに対して、第１熱媒体ラインの一部分が共用されることになり、発電システムの建設コストが低減される。

本発明の一側面に係る発電システムでは、バイナリー発電設備は、作動媒体ラインが設けられ発電機よりも下流側に配置されると共に作動媒体を第１冷却媒体によって冷却するための凝縮器と、第１冷却媒体及び原動機に供給される第２冷却媒体を冷却するための１つの冷却塔と、を更に備えてもよい。

この発電システムによれば、１つの冷却塔によって、凝縮器のための第１冷却媒体と、原動機のための第２冷却媒体とを冷却するので、発電システムの小型化が可能となる。

本発明の一側面に係る発電システムでは、第２熱媒体は、原動機からの排ガス、ジャケット冷却水、熱交換された高圧温水及びフラッシュ蒸気、並びに地熱熱水のうち少なくとも一つを含んでもよい。

この発電システムによれば、原動機からの排ガス、ジャケット冷却水、熱交換された高圧温水及びフラッシュ蒸気、並びに地熱熱水が有効に活用されることができる。

本発明によれば、バイナリー発電設備と原動機発電設備とを備え、バイナリー発電設備が原動機発電設備の排熱と地熱とを利用する発電システムを提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る発電システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る発電システムの概略構成を示す図である。発電システム１は、バイナリー発電設備１０と原動機発電設備２０とを備える。バイナリー発電設備１０は、排熱及び地熱といった熱源ＴＳで加熱された第１熱媒体を用いて、作動媒体を加熱して発電を行う設備である。バイナリー発電設備１０には、例えば有機ランキンサイクルが採用される。原動機発電設備２０は、原動機２１を備え、原動機２１によって発電を行う設備である。原動機発電設備２０は、原動機２１の排熱によって第１熱媒体を加熱するための加熱器２２を更に備える。加熱器２２は、バイナリー発電設備１０と原動機発電設備２０とによって共有されることができる。

バイナリー発電設備１０は、第１熱媒体ラインＬ１、作動媒体ラインＷ１、蒸発器１１、及び発電機１２を備える。第１熱媒体ラインＬ１は、第１熱媒体を流すためのラインであり、作動媒体ラインＷ１は、作動媒体を流すためのラインである。蒸発器１１は、第１熱媒体ラインＬ１内の第１熱媒体と作動媒体ラインＷ１内の作動媒体との熱交換といった方法により作動媒体を蒸発させるための設備である。蒸発器１１には、第１熱媒体ラインＬ１と作動媒体ラインＷ１とが設けられる。発電機１２は、蒸発器１１で蒸発した作動媒体を用いて発電を行うための設備である。発電機１２には、作動媒体ラインＷ１が設けられ、発電機１２は、蒸発器１１よりも下流側に配置される。本明細書において、「ライン」は、内部を流体が流れる配管もしくは管路、または、空間を意味する。また、「上流」または「下流」は、対象とする流体の流れの方向を基準とする。

バイナリー発電設備１０は、熱交換器１３及び凝縮器１４を更に備える。熱交換器１３は、蒸発器１１に供給される前の第１熱媒体と、蒸発器１１に供給された後の第１熱媒体との熱交換を行う設備である。熱交換器１３は、第１熱媒体ラインＬ１が設けられ熱源ＴＳよりも下流側であって蒸発器１１よりも上流側に配置される。凝縮器１４は、作動媒体と冷却媒体との熱交換といった方法により作動媒体を冷却および凝縮し、液化する装置である。凝縮器１４には、作動媒体ラインＷ１が設けられ、凝縮器１４は、発電機１２よりも下流側に配置される。作動媒体ラインＷ１は、蒸発器１１、発電機１２及び凝縮器１４を通る循環ラインを形成する。バイナリー発電設備１０は、作動媒体ラインＷ１に設けられる第１作動媒体ポンプ１５ａを備えることができる。第１作動媒体ポンプ１５ａは、例えば凝縮器１４と蒸発器１１との間に位置する。

熱源ＴＳで加熱された第１熱媒体としては、例えば温水または水蒸気が用いられ得る。この場合、熱交換器１３は、温水または水蒸気を生成する。第１熱媒体として、水以外の流体が用いられてもよく、その場合、温水は温熱媒体と呼び換えられ、水蒸気は熱媒体蒸気と呼び換えられる。熱源ＴＳから熱交換器１３に供給される第１熱媒体の温度は、例えば摂氏８０度〜１２０度である。

蒸発器１１には、例えば、第１入口部１１ａと第２入口部１１ｂとが設けられ、蒸発器１１の上流側において、第１熱媒体ラインＬ１は、第１共用ラインＬ１ａを含む。第１入口部１１ａは、第１共用ラインＬ１ａに接続され、第２入口部１１ｂは、作動媒体ラインＷ１に接続される。蒸発器１１には、第１共用ラインＬ１ａによって第１熱媒体が供給され、作動媒体ラインＷ１によって作動媒体が供給される。作動媒体は、水よりも沸点の低い媒体であり、例えばハロゲン化炭化水素である、Ｒ−１２３、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−２４５ｆａなどがある。また、炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタンイソペンタンなどがある。

第１熱媒体ラインＬ１及び作動媒体ラインＷ１は、蒸発器１１の内部に、それぞれ、第１熱媒体を流す熱源ラインＬ１ｂ及び作動媒体を流す熱交換ラインＷ１ｂを含む。蒸発器１１は、熱源ラインＬ１ｂ内の第１熱媒体と熱交換ラインＷ１ｂ内の作動媒体との熱交換といった方法で作動媒体を加熱し蒸発させる。蒸発器１１は、例えば、熱源ラインＬ１ｂ内の第１熱媒体と、熱交換ラインＷ１ｂ内の作動媒体とが互いに交差して流れる直交流式の熱交換器である。蒸発器１１は、第１熱媒体と作動媒体とが互いに対向して流れる向流式の熱交換器、又は第１熱媒体と作動媒体とが互いに同じ方向に流れる並流式の熱交換器であってもよい。

蒸発器１１には、例えば、第１出口部１１ｃと第２出口部１１ｄとが設けられ、蒸発器１１の下流側において、第１熱媒体ラインＬ１は、第２共用ラインＬ１ｃを含む。第１出口部１１ｃは、第２共用ラインＬ１ｃに接続され、第２出口部１１ｄは、作動媒体ラインＷ１に接続される。第２共用ラインＬ１ｃは、蒸発器１１で熱交換を行った後の第１熱媒体を流すラインであり、蒸発器１１の下流側の分岐点Ｓ１において、熱交換器ラインＬ１ｄと第１加熱器ラインＬ１ｅとに分岐する。熱交換器ラインＬ１ｄは、熱交換後の第１熱媒体を熱交換器１３に戻すためのラインであり、第１加熱器ラインＬ１ｅは、熱交換後の第１熱媒体を加熱器２２に流すためのラインである。バイナリー発電設備１０は、第１加熱器ラインＬ１ｅに設けられる第２作動媒体ポンプ１５ｂを備えることができる。第２作動媒体ポンプ１５ｂは、蒸発器１１と加熱器２２との間に位置する。

バイナリー発電設備１０では、第１入口部１１ａから蒸発器１１に供給された第１熱媒体は、熱源ラインＬ１ｂを流れた後、第１出口部１１ｃから吐出される。第１出口部１１ｃから吐出された第１熱媒体は、第２共用ラインＬ１ｃを流れた後に、熱交換器ラインＬ１ｄ又は第１加熱器ラインＬ１ｅを流れて、熱交換器１３又は加熱器２２に供給される。熱交換器１３に供給された後の第１熱媒体は、例えば摂氏６０度〜７０度を有する温排水として、例えば温泉といった施設で再利用される。第２入口部１１ｂから蒸発器１１に供給された作動媒体は、熱交換ラインＷ１ｂを流れた後、第２出口部１１ｄから吐出される。第２出口部１１ｄから吐出された作動媒体は、作動媒体ラインＷ１を流れて、発電機１２に供給される。

発電機１２は、例えばタービン型の膨張機１２ａと、膨張機に連結された発電機本体１２ｂとを含んでおり、蒸発器１１によって蒸発した作動媒体を用いてタービンを回転させ、発電機で発電を行う。発電機は、例えば４００ボルト〜４４０ボルト程度の電圧で発電できる。発電機１２には、変圧器１６が接続され得る。変圧器１６により、例えば６．６キロボルトの電圧を有する電気が電力系統１７に供給される。膨張機１２ａは、ターボ型の膨張機に限られず、スクリュー式の容積型膨張機であってもよい。発電に用いられた作動媒体は、作動媒体ラインＷ１を流れて凝縮器１４に送られる。

凝縮器１４に送られた作動媒体は、その作動媒体と第１冷却媒体との熱交換によって、冷却および凝縮され液化される。第１冷却媒体は、例えば水といった液体である。バイナリー発電設備１０は、第１冷却媒体を生成するための１つの冷却塔１８と、冷却塔１８と凝縮器１４との間で第１冷却媒体を循環させる第１冷却ラインＣ１を更に備える。凝縮器１４は、例えば向流式の熱交換器であることができて、作動媒体は、例えば摂氏３０度〜４０度に冷却される。凝縮器１４は、並流式の熱交換器であってもよく、また、第１冷却媒体は、液体以外に、空気などのガスであってもよい。すなわち、凝縮器１４は、空冷タイプであってもよい。凝縮器１４において作動媒体の冷却に使用された後の第１冷却媒体は、第１冷却ラインＣ１を流れて冷却塔１８で再利用される。冷却水といった第１冷却媒体の一部は、例えば河川などの廃棄先ＤＰに廃棄されることができる。

本実施形態では、原動機発電設備２０は、バイナリー発電設備１０の設置場所の近隣、例えばバイナリー発電設備１０と同一の敷地内に設置される。すなわち、ベースロード電源をバイナリー発電設備１０とし、変動電源を原動機発電設備２０によって賄うことができる。また、例えば電気需要が増大したときに、バイナリー発電設備１０による発電に加えて、原動機発電設備２０による発電を行うことができる。すなわち、バイナリー発電設備１０による発電と原動機発電設備２０による発電とのハイブリッド発電を行うことができる。

原動機発電設備２０は、原動機２１及び加熱器２２に加えて、原動機２１で生成された第２熱媒体を流すための第２熱媒体ラインＬ２を備え、第２熱媒体ラインＬ２は、第１熱媒体ラインＬ１と共に加熱器２２に設けられる。原動機２１は、例えば、ディーゼルエンジン、ガスタービン、ガスエンジン、又はスターリングエンジンであり、このうち、ディーゼルエンジンは、重油といった燃料として用いて発電を行う。原動機２１が発電を行うときには、例えば高温の排ガスといった第２熱媒体が生成され、加熱器２２は、排ガスボイラであることができる。この場合、加熱器２２には、第２熱媒体ラインＬ２によって原動機２１から高温の排ガスを含む第２熱媒体が供給され、この第２熱媒体が、作動媒体との熱交換といった方法により温度下降した第１熱媒体を加熱する。加熱後の第１熱媒体の温度は、例えば摂氏８０度〜２００度である。加熱器２２には、原動機発電設備２０の外部に第２熱媒体を排出するための煙突といった廃棄処理装置２３が設けられてもよい。

バイナリー発電設備１０では、第１熱媒体ラインＬ１は、加熱器２２よりも下流側において、第１熱媒体ラインＬ１の蒸発器１１よりも上流側の合流点Ｐ１で接続されて循環流路を形成する。合流点Ｐ１から第１入口部１１ａまでの部分が、第１熱媒体ラインＬ１の第１共用ラインＬ１ａとなっている。第１熱媒体ラインＬ１は、加熱器２２から合流点Ｐ１までの間に第２加熱器ラインＬ１ｆを含み、第２加熱器ラインＬ１ｆは、第１共用ラインＬ１ａを介して、加熱器２２から蒸発器１１に第１熱媒体を供給する。加熱器２２で加熱された第１熱媒体は、熱源ＴＳからの第１熱媒体と共に、第１共用ラインＬ１ａを介して第１入口部１１ａから蒸発器１１に供給される。加熱器２２から蒸発器１１への第１熱媒体の供給量と、熱源ＴＳから蒸発器１１への第１熱媒体の供給量との比率は、例えば１：１程度である。原動機発電設備２０による発電が停止しているときには、加熱器２２から蒸発器１１への第１熱媒体の流れが停止する。合流点Ｐ１には、熱源ＴＳから蒸発器１１に向かう第１熱媒体の一部が加熱器２２の方向に流れることを防止する流路切り替え機構が設けられてもよい。

加熱器２２から蒸発器１１に供給された第１熱媒体は、蒸発器１１において、熱源ＴＳから蒸発器１１に供給された第１熱媒体と共に作動媒体を加熱後、第１出口部１１ｃから吐出される。また、加熱器２２から蒸発器１１に供給された第１熱媒体は、第２共用ラインＬ１ｃを流れた後に、熱交換器ラインＬ１ｄ又は第１加熱器ラインＬ１ｅを流れて、熱交換器１３又は加熱器２２に供給される。蒸発器１１から熱交換器１３への第１熱媒体の供給量と、蒸発器１１から加熱器２２への第１熱媒体の供給量との比率は、例えば１：１程度である。

原動機発電設備２０は、バイナリー発電設備１０との間で１つの冷却塔１８を共有している。これにより、冷却塔１８によって冷却された第２冷却媒体は、原動機発電設備２０に供給され、原動機２１を冷却することができる。原動機発電設備２０は、原動機発電設備２０と冷却塔１８との間で冷却水といった第２冷却媒体を循環させる第２冷却ラインＣ２を有する。第２冷却ラインＣ２は、原動機２１の冷却後に温度上昇した第２冷却媒体を冷却塔１８に戻し、冷却塔１８において温度低下した第２冷却媒体を再び原動機２１に供給することができる。冷却塔１８において温度低下した第２冷却媒体、例えば冷却水の温度は、摂氏１５度〜３５度である。

以上説明した上記構成を有する発電システム１では、例えば地熱といった熱源ＴＳからの地熱熱水を第１熱媒体として用いて、バイナリー発電設備１０の蒸発器１１において作動媒体を蒸発させる。第１熱媒体ラインＬ１は、熱源ＴＳから蒸発器１１に第１熱媒体を供給し、また、原動機２１の排ガスを含む第２熱媒体によって加熱された第１熱媒体を蒸発器１１に供給する。第２熱媒体によって加熱された第１熱媒体を利用してバイナリー発電が行われるので、第１熱媒体を利用したバイナリー発電設備１０による発電量が、原動機発電設備２０による発電量を軽減することができる。原動機２１のための燃料が削減され、発電コストが削減される。また、原動機２１から発生する二酸化炭素の削減が可能となる。また、第１熱媒体ラインＬ１が加熱器２２よりも下流側において第１熱媒体ラインＬ１の蒸発器１１よりも上流側に接続されるので、第１熱媒体ラインＬ１が加熱器２２からの第１熱媒体と熱源ＴＳからの第１熱媒体とを共に流す部分、すなわち第１共用ラインＬ１ａを有する。加熱器２２で加熱される第１熱媒体と熱源ＴＳで加熱される第１熱媒体とに対して、第１熱媒体ラインＬ１の一部分が共用されることになり、発電システムの建設コストが低減される。

また、この発電システム１では、１つの冷却塔１８によって、凝縮器１４のための第１冷却媒体と、原動機２１のための第２冷却媒体とを冷却するので、発電システム１の小型化が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、第２熱媒体は、原動機２１から排出される排ガスの替わりに、例えば、原動機２１によって生成されるジャケット冷却水、熱交換された高圧温水又はフラッシュ蒸気を含んでよく、地熱熱水を含んでもよい。また、第２熱媒体は、排ガス、ジャケット冷却水、熱交換された高圧温水及びフラッシュ蒸気、並びに地熱熱水の少なくとも一つを含んでもよい。この発電システム１によれば、原動機からの排ガス、ジャケット冷却水、熱交換された高圧温水及びフラッシュ蒸気、並びに地熱熱水が有効に活用されることができる。熱交換された高圧温水とは、大気圧以上の圧力でかつ１００℃以上の温度を有する熱水である。

また、例えば、原動機発電設備２０の替わりに、火力発電設備や水力発電設備が用いられてもよい。すなわち、火力発電設備や水力発電設備と同一の敷地内にバイナリー発電設備１０が設置されてもよい。例えば、バイナリー発電設備１０をベースロード電源として用い、変動電源として火力発電設備や水力発電設備を利用してもよい。火力発電設備や水力発電設備からの排熱等を利用した加熱器によって加熱された第１熱媒体をバイナリー発電設備１０の蒸発器１１での作動媒体の加熱に用いることができる。

１ 発電システム
１０ バイナリー発電設備
１１ 蒸発器
１２ 発電機
１４ 凝縮器
１８ 冷却塔
２０ 原動機発電設備
２１ 原動機
２２ 加熱器
Ｌ１ 第１熱媒体ライン
Ｌ２ 第２熱媒体ライン
Ｗ１ 作動媒体ライン

Claims (3)

1. 第１熱媒体を流すための第１熱媒体ライン、作動媒体を循環させるための作動媒体ライン、前記第１熱媒体ラインと前記作動媒体ラインとが設けられると共に前記作動媒体を蒸発させるための蒸発器、及び、前記作動媒体ラインが設けられ前記蒸発器よりも下流側に配置されると共に前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体を用いて発電を行うための発電機を有するバイナリー発電設備と、
   発電を行うための原動機、前記原動機で生成された第２熱媒体を流すための第２熱媒体ライン、及び前記第１熱媒体ラインと前記第２熱媒体ラインとが設けられると共に前記第２熱媒体によって前記第１熱媒体を加熱するための加熱器を有する原動機発電設備と、
   を備え、
   前記第１熱媒体ラインは、熱源から前記蒸発器に前記第１熱媒体を供給すると共に前記蒸発器から前記加熱器に前記第１熱媒体を供給し、
   前記第１熱媒体ラインは、前記加熱器よりも下流側において、前記第１熱媒体ラインの前記蒸発器よりも上流側に接続されて循環流路を形成すると共に、前記加熱器から前記蒸発器に前記第１熱媒体を供給し、
   前記第２熱媒体ラインは、前記原動機から前記加熱器に前記第２熱媒体を供給する、発電システム。
2. 前記バイナリー発電設備は、前記作動媒体ラインが設けられ前記発電機よりも下流側に配置されると共に前記作動媒体を第１冷却媒体によって冷却するための凝縮器と、前記第１冷却媒体及び前記原動機に供給される第２冷却媒体を冷却するための１つの冷却塔と、を更に備える、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記第２熱媒体は、前記原動機からの排ガス、ジャケット冷却水、熱交換された高圧温水及びフラッシュ蒸気、並びに地熱熱水のうち少なくとも一つを含む、請求項１または２に記載の発電システム。

Images