JP3011669B2 - 混合媒体サイクル発電システム - Google Patents

混合媒体サイクル発電システム

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JP3011669B2 JP9008881A JP888197A JP3011669B2 JP 3011669 B2 JP3011669 B2 JP 3011669B2 JP 9008881 A JP9008881 A JP 9008881A JP 888197 A JP888197 A JP 888197A JP 3011669 B2 JP3011669 B2 JP 3011669B2
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    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低沸点媒体と高沸
点媒体からなる非共沸混合媒体を作動媒体とする混合媒
体サイクル発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、比較的低温度の熱源を利用した発
電システムにおいては、低沸点媒体と高沸点媒体からな
る非共沸混合媒体を作動媒体として使用することが行わ
れている。
【0003】すなわち、図5は、低沸点媒体成分として
アンモニア、高沸点媒体として水を使用し、温度150
℃以下の熱源を利用した非共沸混合媒体サイクル発電シ
ステムの系統図であって、上記アンモニアと水からなる
媒体は蒸発器1に供給され、そこで加熱され一部蒸発
し、分離器2でアンモニアが濃厚な気相とアンモニアが
希薄な液相に分離される。
【0004】上記分離器2で分離された気相媒体はター
ビン3に導かれ、そこで仕事をした後、復液器4へ導入
される。
【0005】一方、分離器2で分離された液相の媒体
は、再生器5で熱を放出し、減圧器6で減圧された後、
復液器4に導かれる。上記復液器4では、タービン3で
仕事を行った後の媒体と減圧器6で減圧された媒体が接
触混合される。そして、混合後の媒体は、蒸発前の濃度
に戻り、復液器4で冷却され凝縮した後、媒体循環ポン
プ7により昇圧され再生器5に入り、そこで前記分離器
2で分離された液相媒体によって加温された後、蒸気器
1に還流される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図5に示す
システムにおいては、蒸発器での非共沸混合媒体の特徴
である非等温蒸発特性により熱源温度変化に沿ったロー
レンツサイクルに近い熱交換が可能であり、エクセルギ
ー効率の高いサイクルの実現が可能である。
【0007】図6はアンモニア・水を媒体とした98℃
の熱源時の従来方法サイクルのヒートバランスの一部を
示す図である。図5の再生器では蒸発器1で高温高圧域
までエネルギー状態を高めた液相媒体について、蒸発器
入口前の液相媒体の加熱という熱利用のみとなってしま
い、かならずしも有効なエネルギー利用とはなっていな
い。
【0008】また、混合媒体の気相と液相が混合すると
きに液相媒体の低沸点媒体成分(水/アンモニア混合媒
体のときはアンモニア)の濃度が気相媒体の低沸点媒体
成分の濃度より低く、かつ、液相媒体の温度が気相媒体
の温度より低いときに気相媒体が液相媒体に吸収されて
全体が液相となるという現象が起こる。この現象は、蒸
気濃度の差と温度の差が大きいほど起こりやすくなる。
混合媒体サイクルの復液器ではこの吸収という現象を積
極的に利用するのが望ましい。
【0009】ところが図6の分離器2で分離された液相
媒体が復液器4に導入されるポイントAの液相媒体の温
度(40.4℃)がタービン排気蒸気のポイントBの温
度(22.6℃)より高くなってしまっているため、ポ
イントAでの濃度の薄いアンモニア液媒体にポイントB
のアンモニア濃度の高い蒸気が吸収されないで熱交換器
である復液器4での媒体の十分な液化が行われない恐れ
がある。そして、復液器4での完全な媒体の液化が行わ
れない場合には、濃いアンモニア蒸気が復液器4内に残
り、タービン排気圧力が上がってしまい図6に示すヒー
トバランスの実現が難しく、タービン出力が大幅に低下
してしまうことがある。
【0010】本発明はこのような点に鑑み、熱源温度と
熱源量が規定された場合、従来のシステムに比し出力及
び効率を向上し得るシステムを得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、低沸点媒体と
高沸点媒体からなる非共沸混合媒体を作動媒体とする非
共沸混合媒体サイクル発電システムにおいて、比較的低
温度の熱源との熱交換により上記非共沸混合媒体の一部
を蒸発させて気液二相状態とする蒸発器と、その気液二
相状態の媒体を気液分離する第1の分離器と、その第1
の分離器で分離された気相媒体が供給されるタービン
と、そのタービンからの排ガスを復液させ上記蒸発器に
還流させる第1の復液器と、第1の分離器後の二相状態
の媒体を再び気液分離する第2の分離器と、第2の分離
器後の気相媒体を高圧の第2の復液器に導き、作動媒体
と接触混合させる系とを有することを特徴とする。
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【発明の実施の形態】以下、図1を参照して本発明の実
施の形態について説明する。なお、図中図5と同一部分
には同一符号を付する。
【0021】アンモニアと水の混合媒体は、蒸発器1で
地熱、太陽熱温水、或はプラント排熱等の150℃以下
程度の比較的低温の熱源との熱交換によって加熱されて
一部蒸発し、第1の分離器2aでアンモニアが濃厚な気
相とアンモニアが希薄な液相に分離される。そして、上
記第1の分離器2aで分離された気相媒体はタービン3
に導入され、そこで仕事を行った後、復液器4で復液さ
れた後、媒体循環ポンプ7によって昇圧され再生器5を
経て蒸発器1に還流される。
【0022】一方、第1の分離器2aの液相部は、導管
8によって減圧器6aを介して第2の分離器2bに接続
されており、また第2の分離器2bの気相部は導管9を
介してタービン3の中間段に接続されている。したがっ
て、第1の分離器2aで分離された液相媒体は減圧器6
aで減圧され第2の分離器2bに導入され、そこでさら
に気液分離され分離された気相媒体はタービン3の中間
段に混入される。
【0023】しかして、タービン3で仕事を行った気相
媒体は、復液器4で復液され吸収循環系ポンプ7によっ
て蒸発器1側に還流される。
【0024】また、第2の分離器2bで分離された液相
媒体は再生器5を経て導管10を介して減圧器6bで減
圧され復液器4においてタービン3の出口気相媒体と接
触混合される。
【0025】図2は、図1に示すシステムにおいて図6
に示すシステムと同じ熱源温度98℃、蒸発器の交換熱
量35855kWのときのヒートバランス例を示す図で
あり、図6に示すサイクルに比べ、タービンからの発電
機出力が155kW程度増加する。ここでタービン効率
は0.85、発電機効率は0.95と仮定している。ま
た、第2の分離器2bで分離された液相媒体が復液器4
に導入されるポイントAの液相媒体の温度(20℃)が
タービン排気蒸気のポイントBの温度(22.7℃)よ
り低く、かつポイントAでの液相媒体のアンモニア濃度
(0.673mol/mol )が図6の従来サイクルのアンモ
ニア濃度(0.711mol/mol )より低いため、復液器
4での十分な混合及び液化が行われ、タービン排圧の上
昇によるタービン出力の低下も防ぐことができる。
【0026】図3は本発明の他の実施の形態を示す図で
あり、第2の分離器2bで気液分離した後の気相媒体が
第1のタービン3aとは別の第2のタービン3bへ導入
されそこで仕事を行った気相媒体が、同様に第1のター
ビン3aで仕事をした後の気相媒体と導管11を介して
復液器4の前で合流されるようにしてある。したがっ
て、これも図1に示す発明と同等の効果を得ることがで
きる。
【0027】なお、図1および図3に示す実施の形態に
おいては、第2の分離器2bで分離した気相媒体を適宜
熱源またはサイクル内の媒体からの熱を利用して加熱し
た後、タービン3或は3bに供給するようにしてもよ
い。
【0028】図4は本発明のさらに他の実施の形態を示
す図であり、第2の分離器2bで気液分離した後の気相
媒体を導管12を介して第1の媒体循環ポンプ7aで昇
圧した後の液相媒体に第2の復液器4bで接触混合させ
るようにしたもので、第2の復液器4b後の液媒体は第
2の媒体循環ポンプ7bにより媒体蒸発圧力まで昇圧さ
れる。しかして、この場合第2の分離器2bからの液相
媒体が第1の復液器4aに導入されるポイントAの液相
媒体の温度(22.5℃)がタービン排気蒸気のポイン
トBの温度(22.6℃)より低いことに加え吸収液側
のアンモニア濃度(0.636mol/mol )が図6の従来
サイクルのアンモニア濃度(0.711mol/mol )より
低いため、復液器4での十分な混合及び液化が行われ、
タービン出力の低下を防ぐことができる。
【0029】また、図1、図3、図4において、第1の
分離器2aと第2の分離器2bを含む液系に、液膜界面
を界面撹乱により物質拡散を容易にするような添加剤、
例えば、水・リチウムブロマイド混合媒体のときにはn
−オクタノール等を注入し循環させることにより、ター
ビン排気との接触混合を容易にすることができ、サイク
ルの効率を向上させることができる。
【0030】さらに、図1、図3、図4において、第1
の分離器2aと第2の分離器2bを含む液系に、沸点上
昇効果のある媒体、例えば塩類を投入して媒体蒸発時の
圧力を高くしてタービンでの仕事量を増加させるように
し、沸点上昇効果のある媒体は蒸発を行わない領域での
使用を行うようにすることによって出力をさらに向上さ
せることができる。
【0031】また、上記実施の形態においては媒体が水
とアンモニアの2成分からなるものを示したが、水、ア
ンモニア、リチウムブロマイド等の3成分以上から構成
してもよく、アンモニアと水の混合媒体の場合には90
℃〜200℃程度の熱源で0.7〜0.95mol/mol の
アンモニア濃度が好ましい。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は第1の分
離器および第2の分離器で順次分離された液相媒体をタ
ービン排気と接触混合させるようにしたので、復液器に
おけるアンモニア濃度の高い気相媒体の吸収が効果的に
行なわれ、タービン排気圧力を下げてタービン仕事量を
増加できるばかりでなく、タービン排気の完全凝縮を行
わせることができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非共沸混合媒体サイクル発電システム
の一例を示す系統図。
【図2】図1に示すシステムのヒートバランス例を示す
図。
【図3】本発明の他の実施の形態の一例を示す図。
【図4】本発明のさらに他の実施の形態のヒートバラン
スの一例を示す系統図。
【図5】従来の非共沸混合媒体サイクル発電システムの
他の例を示す系統図。
【図6】図5に示すシステムのヒートバランス例を示す
図。
【符号の説明】
1 蒸発器 2 分離器 2a 第1の分離器 2b 第2の分離器 3 タービン 3a 第1のタービン 3b 第2のタービン 4 復液器 4a 第1の復液器 4b 第2の復液器 5 再生器 6 減圧器 6a 第1の減圧器 6b 第2の減圧器 7 媒体循環ポンプ 7a 第1の媒体循環ポンプ 7b 第2の媒体循環ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 雅 國 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会 社東芝 本社事務所内 (72)発明者 高 柳 幹 男 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会 社東芝 本社事務所内 (56)参考文献 特開 昭56−138408(JP,A) 特開 昭55−148909(JP,A) 特開 昭59−12107(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01K 25/10 F01K 25/06 F01K 25/00 F01K 7/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低沸点媒体と高沸点媒体からなる非共沸混
    合媒体を作動媒体とする混合媒体サイクル発電システム
    において、比較的低温度の熱源との熱交換により上記混
    合媒体の一部を蒸発させて気液二相状態とする蒸発器
    と、その気液二相状態の媒体を気液分離する第1の分離
    器と、その第1の分離器で分離された気相媒体が供給さ
    れるタービンと、そのタービンからの排ガスを復液させ
    上記蒸発器に還流させる第1の復液器と、第1の分離器
    後の二相状態の媒体を再び気液分離する第2の分離器
    と、第2の分離器後の気相媒体を高圧の第2復液器に導
    き、作動媒体と接触混合させる系とを有することを特徴
    とする、混合媒体サイクル発電システム。
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