JP2023178158A - バイナリー発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 頻繁な軸受への潤滑油やグリスの補給の負担や、潤滑油やグリスのミストによる動翼の浸食といった障害を軽減あるいは、なくすため、軸受への潤滑油およびグリスの補給機構を簡素化あるいは不要とした、バイナリー発電システムを提供する。【解決手段】 熱源流体ＨＷの熱エネルギーを用い、低沸点作動媒体ＬＭが蒸気化した圧力で、膨張発電機２を駆動させ発電を行う、バイナリー発電システムＧにおいて、膨張発電機２の膨張機と発電機との間に、膨張発電機２の内部雰囲気を隔てる機構を設け、回転駆動するローター軸１２の発電機側の支持に、転がり軸受を用い、回転駆動するローター軸１２の膨張機側の支持に、転がり軸受または、すべり軸受を用いることを特徴としたバイナリー発電システムＧ。【選択図】図１

Description

本発明は、熱源流体の熱エネルギーを用い、低沸点作動媒体を加熱・蒸発させて、その蒸気の圧力で、膨張発電機を駆動させ発電を行う、バイナリー発電システムに関する。

地熱蒸気や熱水あるいは、加熱処理工程のある工場廃熱や、焼却炉の廃熱などからの熱源流体の熱エネルギーを用い、石油系炭化水素や代替フロン・アンモニア等の低沸点作動媒体を蒸発器において加熱・蒸発させて、その蒸気の高い圧力で、膨張発電機を駆動させ発電を行い、その後、膨張発電機を出て低い圧力となった蒸気を凝縮器において冷媒で冷却することで、作動媒体を凝縮させ液体とし、それを再び低沸点作動媒体ポンプによって、この発電サイクル内を循環させ、連続的に発電を行うシステムがバイナリー発電システムであり、一般的な約３００℃以上の水蒸気を用いた水蒸気膨張発電機と比べると、利用の進んでいない３００℃未満（場合によっては１００℃未満）の低温な熱源からも発電が可能なシステムとして、実用化されている。

昨今、化石燃料の過剰な使用による地球温暖化と、地球人口の増大やモビリティの電動化による電気エネルギーへの需要の高まりを鑑みると、現状、廃棄されてしまっている熱エネルギーをできる限り有効活用して発電が可能なバイナリー発電システムは、時代の要請として、さらなる実用化・適用化が期待されている。

また、台風や地震などの自然災害の多いわが国の災害時における電力系統ネットワークの強靭化を図る上でも、大規模発電所への依存から、分散化電力のスマートグリッド化への移行によるリスク低減が望まれている。

特許第４３１１９８２号公報 特許第５４４７６７７号公報 特許第６３３９９０８号公報 特開２０１６－６１２３７号公報 特開２０１９－２２２６１号公報

化石燃料の過剰な使用による地球温暖化に対し、今世紀の人類は喫緊の対策が迫られている現状、廃棄されてしまっている熱エネルギーを有効活用して安定して発電することが可能なバイナリー発電システムの実用化・適用化が期待されており、先行技術文献には、バイナリー発電システムの膨張発電機の軸受の潤滑に関するものがいくつかある。

特許文献１では、膨張発電機の軸受への潤滑油の供給に加圧ポンプを使用することなく、エジェクターを用いて、潤滑油と低沸点作動媒体の混合液を噴射して、軸受を潤滑冷却している。
潤滑油の加圧ポンプを使用しない分、システム構成が簡素化、また、加圧ポンプに必要なエネルギーの消費も低減し、経済性を高めている。
しかしながら、低沸点作動媒体の循環経路に入り込んだ潤滑油を回収するために、蒸発器内部に気液分離器・油溜まり部を設け、そこから配管して、潤滑油タンクへ導き一時貯蔵し、そこからまた配管して、エジェクターを通じて、軸受へと至るといった、まだまだ複雑化した機構となっている。

また、特許文献２では、膨張発電機の軸受の潤滑機構を、さらに簡素化し、グリス供給装置とそれを制御する制御装置を設け、制御装置による制御でグリス供給装置を機能させ、軸受の潤滑に必要となる適切な量のグリス供給を行う機構としている。

特許文献３，４は、特許文献２の機構を、さらに適切な量のグリス供給を行う機構へと改良している。

特許文献５では、膨張発電機の軸受の近傍に設けた温度センサーの計測値に基づいて、軸受のグリス不足を検知し、軸受へのグリス供給を行う制御を行うことで、軸受の焼付き、発電機の損傷といった障害を未然に防ぎ、バイナリー発電システムの安定した稼働に寄与するものとなっている。

しかしながら、特許文献１～５に記載されている発電システムの膨張発電機では、高圧となった低沸点作動媒体ガスが膨張するタービン部内部空間は、当然、低沸点作動媒体ガスの雰囲気であるが、さらに、軸と直結し回転運動するローター、ローターを支持する軸受、およびケーシングに固定されているステーターのある発電部内部空間も、低沸点作動媒体ガスの雰囲気となっている。

バイナリー発電システムにおいて、低沸点作動媒体は、石油系炭化水素や代替フロンなどが用いられることが主であり、これらは有機化合物である。
また、潤滑油やグリスなども、有機化合物であり、有機化合物同士は、なじみやすく、溶け合わさりやすい性質がある。
それゆえ、軸受に、潤滑油やグリスを供給したとしても、軸受が低沸点作動媒体の雰囲気にあるため、潤滑油やグリスが低沸点作動媒体へと溶け出し、洗い流されるような状態となり、軸受の潤滑の機能に必要となる適切な量を欠かさぬためには、頻繁な潤滑油あるいはグリスの補給が必要となってしまう。
また、低沸点作動媒体の循環経路に流出した潤滑油やグリスなどを、蒸発器内部の気液分離器などで回収するとしても、一部の回収できなかった潤滑油やグリスは、ミストとなって、低沸点作動媒体ガスと混合し、膨張機へと導入され、動翼（インペラー）へと衝突し、浸食（エロージョン）を発生させる惧れもある。

本発明は、このような頻繁な軸受への潤滑油やグリスの補給の負担や、潤滑油やグリスのミストによる動翼の浸食といった障害を軽減あるいは、なくすため、軸受への潤滑油およびグリスの補給機構を簡素化あるいは不要とした、バイナリー発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのバイナリー発電システムは、以下の通りである。
本発明のうち請求項１に記載の発明は、熱源流体の熱エネルギーにより低沸点作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器において蒸発して高圧となった前記低沸点作動媒体によってローター軸を回転駆動し発電する膨張発電機と、前記膨張発電機を出て低圧となった前記低沸点作動媒体を冷媒により冷却し凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から前記蒸発器に向かって前記低沸点作動媒体を循環させる低沸点作動媒体ポンプとを備えた、バイナリー発電システムにおいて、
前記膨張発電機の膨張機と発電機との間に、前記膨張発電機の内部雰囲気を隔てる機構を設けたことを特徴とするバイナリー発電システム。

本発明のうち請求項２に記載の発明は、回転駆動する前記ローター軸の膨張機側の支持に、転がり軸受を用いることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

本発明のうち請求項３に記載の発明は、回転駆動する前記ローター軸の膨張機側の支持に、すべり軸受を用いることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

本発明のうち請求項４に記載の発明は、回転駆動する前記ローター軸を支持する転がり軸受けの少なくとも１つに、ダンピング構造がある請求項１又は請求項２に記載のバイナリー発電システム。

本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、回転駆動するローター軸の発電機側が空気雰囲気下となり、軸受への潤滑油およびグリスの補給機構を、一般的なモーター等と同様程度に簡素化することができ、あるいはグリス封入式の軸受を適用することで不要とすることもできる。

本発明のうち請求項２に記載の発明によれば、回転駆動するローター軸の膨張機側のラジアル方向への振動やブレを抑え、ローター軸の膨張機側のラジアル方向の位置を安定させることができる。

本発明のうち請求項３に記載の発明によれば、回転駆動するローター軸の膨張機側のラジアル方向への振動やブレを抑え、ローター軸の膨張機側のラジアル方向の位置を安定させることができる。

本発明のうち請求項４に記載の発明によれば、回転駆動するローター軸のラジアル方向への振動やたわみ変形をダンピング構造により吸収し抑え、ローター軸のラジアル方向の位置を安定させることができる。

以上、本発明によるバイナリー発電システムの継続的かつ安定的な稼働への信頼性の向上は、総じて、バイナリー発電システムを適用する用途の幅を広げ、バイナリー発電システムの普及・発展を促進し、地球温暖化問題の解決への一助と成り得る。

本発明の第一実施形態に係るバイナリー発電システムを模式的に示している。 図１に示す「膨張発電機」を模式的に示している。 図２に示す「メカニカルシール部」のシール機構の部分を模式的に示している。 図２に示す「転がり軸受」のダンピング構造の部分を模式的に示している。

以下、本発明のバイナリー発電システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、第一実施形態のバイナリー発電システムＧを模式的に示したものである。
熱源流体ＨＷの熱エネルギーにより低沸点作動媒体ＬＭを蒸発させる蒸発器１と、蒸発器１において蒸発して高圧となった低沸点作動媒体ＬＭガスによって回転駆動し発電する膨張発電機２と、膨張発電機２を出て低圧となった低沸点作動媒体ＬＭガスを冷媒ＣＷにより冷却し凝縮させる凝縮器３と、凝縮器３から蒸発器１に向かって低沸点作動媒体ＬＭを循環させる低沸点作動媒体ポンプ４とを備えた、バイナリー発電システムＧであり、低沸点作動媒体ＬＭとして、石油系炭化水素や代替フロン・アンモニア等を用い、熱源流体ＨＷの圧送を担う熱源流体ポンプ５と、冷媒ＣＷの圧送を担う冷媒ポンプ６と、必要に応じ外気を利用して冷媒ＣＷを冷却する冷却塔ファン７を備えている。

図２は、第一実施形態のバイナリー発電システムＧの膨張発電機２を模式的に示したものである。
膨張発電機２は、タービン部・メカニカルシール部・発電部で構成されており、内部に回転体として一体になった動翼１１・ローター軸１２・永久磁石１３を収め、タービン部・メカニカルシール部・発電部が、ボルトで固定されることで一体化し、発電するためのモジュール（構成要素）として機能する。

その原理は、蒸発器１において、熱源流体ＨＷの熱エネルギーを受け、蒸気化して高圧となった低沸点作動媒体ＬＭガスを、タービン部ケーシング１４にある媒体ガス導入口１６ａより導入し、低沸点作動媒体ＬＭガスが高圧から低圧へと開放する際の圧力エネルギーを、ローター軸１２のタービン部に取付けた動翼１１が受け、ローター軸１２の回転運動エネルギーへと変換し、ローター軸１２の発電部に取付けた永久磁石１３が、発電部のステータコア１７内部に磁界の変化を生じさせ、ステータコア１７に巻かれたコイル１８に起電力が生じ、発電する仕組みとなっている。

本発明のバイナリー発電システムＧの第一実施形態においては、高圧の低沸点作動媒体ＬＭガスが持つ圧力エネルギーをローター軸１２の回転運動エネルギーへと変換するタービン部と、ローター軸１２の回転運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する発電部との間に、メカニカルシール部を設けることで、タービン部内部空間は低沸点作動媒体ＬＭガス雰囲気、発電部内部空間は空気雰囲気とに、分離することを可能としている。

メカニカルシール部内部空間はオイル雰囲気であり、ローター軸１２に固定されたシールリングライナー２１に取付けたシールリング２２と、シールフランジ２０に取付けたインサート２３との、わずかな隙間である摺動面に、オイルが入り込み、シール機能が発揮される。
また、オイルは、シールリングライナー２１とシールリング２２の回転運動によって生じる摩擦熱によって加熱され、気化や性能劣化の惧れがあるため、シールフランジ２０に水冷ジャケットの構造を設け、冷却水を循環させることで、オイルを冷やし気化や性能劣化を防ぎ、シール機能を保っている。
なお、オイルは密閉封じ込めの状態であり、半年から一年の定期点検時に性状を確認し、適宜、必要に応じ、新しいオイルへの交換を行う。

ローター軸１２の発電部側は、発電部の発電部フランジ２５と発電部ボトムフランジ２７に、それぞれ取付けられたアンギュラ玉軸受２９によって支持され、ローター軸１２のスラスト方向・ラジアル方向の位置が固定される。
また、ローター軸１２の発電部側の熱膨張による伸びが危惧されるため、発電部ボトムフランジ２７へのアンギュラ玉軸受２９ｂの取付け部分に、バネ３０を用いたスラスト方向へのダンピング構造を設け、ローター軸１２の発電部側の熱膨張による伸びを吸収させる。

ローター軸１２のタービン部側は、先端に動翼１１が取付けられ、その動翼１１は、蒸気化して高圧となった低沸点作動媒体ＬＭガスの圧力のエネルギーを受ける力の掛かる部分であるが、メカニカルシール部がある構造上、動翼１１と発電部フランジ２５に取付けたアンギュラ玉軸受２９ａとの間には距離があるため、ローター軸１２のタービン部側は、ラジアル方向に振動し、位置がブレる惧れがある。

このラジアル方向への振動やブレを防止するため、タービン部フランジ１５にアンギュラ軸受３１を取付け、ローター軸１２のタービン部側を支持し、ローター軸１２のタービン部側のラジアル方向の位置を安定させる。

発電部側と同様に、ローター軸１２のタービン部側も熱膨張による伸びが危惧されるため、タービン部フランジ１５へのアンギュラ玉軸受３１の取付け部分に、バネ３２を用いたスラスト方向へのダンピング構造を設け、ローター軸１２のタービン部側の熱膨張による伸びを吸収させる。
また、ローター軸１２のタービン部側の熱膨張の伸びによる動翼１１とタービン部ケーシング１４との接触が危惧されるが、動翼１１とタービン部ケーシング１４との隙間を、ローター軸１２のタービン部側の熱膨張による伸びを十分に考慮した設計値とすることで、動翼１１とタービン部ケーシング１４との接触を回避することができる。
なお、蒸気化して高圧となった低沸点作動媒体ＬＭガスの圧力エネルギーを、効率よく電力エネルギーへと変換するにあたっては、動翼１１とタービン部ケーシング１４との隙間を極力、最小とするとすることが望ましい。

これら機構により、ローター軸１２を安定した状態で回転運動させることができ、膨張発電機２の劣化や故障の危険を減少させるとともに、熱から電力へのエネルギー変換効率の向上にも寄与することができる。

図３は、図２中のメカニカルシール部のシール機構の部分を取り出し、模式的に示したものである。
膨張発電機２のメカニカルシール部は、タービン部と発電部との間に設けられ、タービン部と発電部の内部雰囲気を隔てている。
これにより、メカニカルシール部は、バイナリー発電システムＧ内部に低沸点作動媒体ＬＭを封じ込め、大気中へ逃がさない役割も担っている。

ローター軸１２の回転運動を支持するアンギュラ玉軸受２９の潤滑には、有機化合物である潤滑油やグリスが用いられており、同じ有機化合物である低沸点作動媒体ＬＭ雰囲気では、溶け出し、洗い流されやすいといった問題があるが、メカニカルシール部を設けることにより、アンギュラ玉軸受２９のある発電部を空気雰囲気とすることでき、解決ができる。

メカニカルシール部の内部空間には、オイルが封じ込めてあり、ローター軸１２に固定されたシールリングライナー２１に取付けたシールリング２２と、シールフランジ２０に取付けたインサート２３とのわずかな隙間である摺動面に、オイルが入り込み、シール機能が発揮される。

シールリング２２とインサート２３との隙間が開き過ぎないよう、インサート２３は、バネ４０の力でシールリング２２側へ押される機構となっており、膨張発電機２を構成する各部品の熱膨張や振動の影響による、シール機能の低下を防いでいる。

ただし、メカニカルシール部のシール機構は、軸受のようにローター軸１２を支持する役割を担っておらず、また、膨張発電機２のタービン部と発電部の間にメカニカルシール部がある構造上、動翼１１と発電部フランジ２５に取付けたアンギュラ玉軸受２９ａとの間に距離が生じ、ローター軸１２のタービン部側は、ラジアル方向に振動し、位置がブレる惧れがある。
そこで、このラジアル方向への振動やブレを防止するため、タービン部フランジ１５にアンギュラ玉軸受３１を取付けることが望ましい。

しかしながら、アンギュラ玉軸受３１が取付けられたタービン部側は、低沸点作動媒体の雰囲気下であり、アンギュラ玉軸受３１に封入された潤滑油やグリスは、同じ有機化合物である低沸点作動媒体へと溶け出し易い環境にある。
また、アンギュラ玉軸受３１は、タービン部側であると言っても、メカニカルシール部と隣接する空間であるタービン部転がり軸受内部空間３３にあり、メカニカルシール部のシールリング２２とインサート２３との、わずかな隙間である摺動面において、シール機能を発揮しているオイルが、わずかながらタービン部側へ漏れ出す効果により、アンギュラ玉軸受３１は、完全に潤滑が失われることがないため、寿命の延命化が図れる。
メカニカルシール部のオイル同様に、アンギュラ玉軸受３１も、半年から一年の定期点検時に状態を確認し、適宜、必要に応じ、新しいアンギュラ玉軸受３１への交換を行う。

あるいは、ローター軸１２の材質を剛性の高いものを選定し、ローター軸１２のタービン部側のラジアル方向への振動や、位置のブレを軽減し、動翼１１とタービン部ケーシング１４との接触が生じるのを防ぎ、膨張発電機２としての機能を損なわない場合には、アンギュラ玉軸受３１の取付けは不要となり、定期点検時の交換もなくなり、より経済的である。
しかしながら、動翼１１とローター軸１２を組付け一体化させたときの回転バランス精度は、厳しくなるものと予想される。

図４は、図２中の発電部フランジ２５のアンギュラ玉軸受２９ａの部分を取り出し、模式的に示したものである。
発電部フランジ２５とアンギュラ玉軸受２９ａの隙間に、オーリング３４を取付けて、ラジアル方向へのダンピング構造となっており、ローター軸１２のアンバランスによる振動や、高速回転によるたわみ変形等を吸収し抑え、ローター軸のラジアル方向の位置を安定させることができる。

以上、一実施形態を例に挙げ、バイナリー発電システムにおける、軸受への潤滑油およびグリスの補給機構を簡素化あるいは不要とした、本発明について説明したが、本発明のローター軸を支持する転がり軸受は、上記一実施形態に限定されることはなく、それぞれ単数でなくとも、複数を連結したものでもよい。
あるいは、ローター軸１２のタービン部側の支持に、すべり軸受を単数、もしくは複数を連携して用いてもよい。

バイナリー発電システムにおいて、核となる駆動モジュール（構成要素）である膨張発電機のローター軸を支持する軸受への潤滑油およびグリスの補給機構は、システムを継続的に安定的に稼働させるに当たって、重要な要素である。
本発明により、そのような頻繁に潤滑油およびグリスの補給が必要な軸受を、発電機側においては空気雰囲気下に設けることを可能としたことで、発電機側の軸受への潤滑油およびグリスの補給機構を、一般的なモーター等と同様程度に簡素化することができ、あるいはグリス封入式の軸受を適用することで不要とすることもできる。

また、タービン部側の軸受も、メカニカルシール部からのわずかなオイルの供給により、寿命の延命化を図り、定期点検時に状態を確認し、交換するといった手法で、運転時における軸受への潤滑油およびグリスの補給機構は不要となる。

バイナリー発電システムの継続的な安定的な稼働への信頼性の向上は、総じて、バイナリー発電システムを適用する用途の幅を広げ、バイナリー発電システムの普及・発展を促進し、地球温暖化問題の解決への一助と成り得る。

１ 蒸発器
２ 膨張発電機
３ 凝縮器
４ 低沸点作動媒体ポンプ
５ 熱源流体ポンプ
６ 冷媒ポンプ
７ 冷却塔ファン
１１ 動翼
１２ ローター軸
１３ 永久磁石
１４ タービン部ケーシング
１５ タービン部フランジ
１６ａ媒体ガス導入口
１６ｂ媒体ガス吐出口
１７ ステータコア
１８ コイル
１９ 電力出力コネクター
２０ａ，ｂ，ｃシールフランジ
２１ シールリングライナー
２２ シールリング
２３ インサート
２４ａ冷却水入口
２４ｂ冷却水出口
２５ 発電部フランジ
２６ 発電部ケーシング
２７ 発電部ボトムフランジ
２８ 発電部ボトムケーシング
２９ａ，ｂアンギュラ玉軸受
３０ バネ
３１ アンギュラ玉軸受
３２ バネ
３３ タービン部転がり軸受内部空間
３４ オーリング
４０ バネ
Ｇ バイナリー発電システム
ＨＷ 熱源流体
ＬＭ 低沸点作動媒体
ＣＷ 冷媒
Ｍ 冷却塔ファン駆動モーター

Claims (4)

1. 熱源流体の熱エネルギーにより低沸点作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器において蒸発して高圧となった前記低沸点作動媒体によってローター軸を回転駆動し発電する膨張発電機と、前記膨張発電機を出て低圧となった前記低沸点作動媒体を冷媒により冷却し凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から前記蒸発器に向かって前記低沸点作動媒体を循環させる低沸点作動媒体ポンプとを備えた、バイナリー発電システムにおいて、
   前記膨張発電機の膨張機と発電機との間に、前記膨張発電機の内部雰囲気を隔てる機構を設けたことを特徴とするバイナリー発電システム。
2. 回転駆動する前記ローター軸の膨張機側の支持に、転がり軸受を用いることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。
3. 回転駆動する前記ローター軸の膨張機側の支持に、すべり軸受を用いることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。
4. 回転駆動する前記ローター軸を支持する転がり軸受けの少なくとも１つに、ダンピング構造があることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載のバイナリー発電システム。