JP3199309U - ラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電併給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高速で回転するロータに対して、蒸気の流れもノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電供給システムを提供する。【解決手段】タービン本体500の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路510が設けられており、蒸気導入路510の下方には、蒸気導入路510内を流下してきた蒸気の流れをタービン本体500の外周部位に流出させる整流凸部511及び整流ノズル512が設けられ、整流凸部511及び整流ノズル512から送られる蒸気が、タービンロータ520のブレード521に供給され、タービンロータ520を回動させて発電する。【選択図】図3
Description
本考案は、ラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電併給システムに関し、詳しくはラジアルアウトフロータービンを2段或いは3段で用い、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムに関する。
平成15年に、最高使用圧力1MPaG、最大蒸発量10t/h以下で一定の条件を満たしたボイラに限り、電気工作物として取り扱わないことにするという電気事業法(平成15年01月21日 原院第3号)の改正があり、工場等に設置される石油・ガス焚き産業用ボイラや木質バイオマスボイラからの蒸気が、減圧弁を通じて乾燥工程等に供給される場合に、減圧弁に代えて小型蒸気タービン発電システムやスクリューエキスパンダー発電システムが共に使用されている。
上記発電システムで使用されている小型蒸気タービンの一つは、産業及び発電用の軸流タービンを小型化したものであり、これは回転軸に沿って平行に蒸気を流し、該蒸気の流れにより風車の様にタービンブレードを回転させるものである。前記形式のタービンは、高温・高圧・大流量での数千kW以上の大型発電機用としては効率が高いが、小型化するほど効率が低くなる。小型タイプの場合でも、単段では低速回転であるため効率が低いので段数を増やす必要があり、構造が複雑となって製作コストの上昇につながる。また、2MPaG以下の低圧のボイラを使用した場合の小型軸流蒸気タービンでは、大きな出力を得るためには排気圧力をできるだけ下げ、圧力差を設ける必要があり、排蒸気を乾燥等でのプロセスで更に活用することが困難である。
上記発電システムで使用されている小型蒸気タービンの他の一つの形式は、産業及び発電用のラジアルタービンを同じ構造のまま小型化したラジアルタービンであり、機械エネルギーのロス比率が著しく大きいため効率が低くなっている。これらの小型ラジアルタービンでは、蒸気が渦巻状のケーシングより内部に入り、羽根車内の流れは、外周部位より回転中心に向けて流れ、次に90°方向を転換して回転軸方向に流れるという、2回の大きな曲がりを受ける複雑な流れとなっている。その為にタービン羽根車構造もタービンブレードを中心部に向けて絞るような構造であり、蒸気が圧力を減じながら膨張するために、ブレードを延長させて空間の断面積を増大させていくという花弁が開いたような複雑な様式となっている。
大型ラジアルタービンの場合は、高温・高圧蒸気と大流量蒸気を使用できるため構造上の問題があまり顕在化しないが、小型ラジアルタービンの場合は、蒸気の粘性の影響により空力性能が悪化し、タービンブレード表面の流れが、はく離しやすく低効率となる。
上述の在来型の小型ラジアルタービンの欠点を克服するために、スクリューエキスパンダーが使用され始めたが、構造的に雄雌の組み合わせロータの相互クリアランスを最小にしなければならず、配管内部に生じやすいドレーンにより発生するサビ等の異物の進入に注意する必要がある。その為にロータの損傷を避けるため、減耗した配管の交換や配管等の異物侵入防止のフィルターの頻繁な交換などと言ったメンテナンス等によるコストの増大を招きやすい。また、使用蒸気量当たりの発電量が少なく、比較的大きなボイラとの組み合わせが必要であり、蒸気消費量が多いという欠点がある。
一方、特許文献1では、バイオマスボイラから流出した蒸気を汽水分離器で水蒸気と熱水に分離し、該水蒸気とランキンサイクル内を循環する低沸点熱媒体(作動媒体)との間で熱交換することで、該水蒸気の熱により、液体の作動媒体を気化させて、その膨張力によって膨張機を駆動させる。該膨張機が回転力に変換した低沸点熱媒体の熱エネルギーを、膨張機に接続された発電機によって電力に変換することで発電するバイナリー発電システムが開示されている。
ここで、特許文献1は、発生する熱エネルギーが少量である場合は好ましい技術であるが、汽水分離器で分離された水蒸気が大量の熱エネルギーを有する場合は、該熱エネルギーを回収しきれず、有効利用できていないという問題点が発生していた。
そこで、本考案の課題は、高速で回転するロータに対して、蒸気の流れもノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービンを提供することにある。
また、本考案の他の課題は、蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部位に吹き飛ばされ容易に排出可能であるラジアルアウトフロータービンを提供することにある。
さらに、本考案の他の課題は、バイオマスボイラが発する蒸気の熱エネルギーをバイナリー発電装置に供する前に、前記ラジアルアウトフロータービンを2段或いは3段で導入し、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムを提供することにある。
また本考案の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
上記課題は、以下の各考案によって解決される。
(請求項1)
タービン本体の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路が設けられており、
前記蒸気導入路の下方には、該蒸気導入路内を流下してきた蒸気の流れを前記タービン本体の外周部位に流出させる整流凸部及び整流ノズルが設けられ、
前記整流凸部及び前記整流ノズルから送られる蒸気が、タービンロータのブレードに供給され、前記タービンロータを回動させて発電するラジアルアウトフロータービン。
タービン本体の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路が設けられており、
前記蒸気導入路の下方には、該蒸気導入路内を流下してきた蒸気の流れを前記タービン本体の外周部位に流出させる整流凸部及び整流ノズルが設けられ、
前記整流凸部及び前記整流ノズルから送られる蒸気が、タービンロータのブレードに供給され、前記タービンロータを回動させて発電するラジアルアウトフロータービン。
(請求項2)
前記タービンロータの外周部位に、前記ブレードが形成され、前記タービンロータと前記ブレードがチタン合金で一体型で構成されている請求項1記載のラジアルアウトフロータービン。
前記タービンロータの外周部位に、前記ブレードが形成され、前記タービンロータと前記ブレードがチタン合金で一体型で構成されている請求項1記載のラジアルアウトフロータービン。
(請求項3)
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
(請求項4)
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器を備える請求項3記載の熱電併給システム。
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器を備える請求項3記載の熱電併給システム。
(請求項5)
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
(請求項6)
前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器を備える請求項5記載の熱電併給システム。
前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器を備える請求項5記載の熱電併給システム。
(請求項7)
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器と、
前記第3汽水分離器で生成されるフラッシュ蒸気を集め、蓄圧機能を有し、安定した蒸気を供給する蒸気ヘッダーと、
前記蒸気ヘッダーより供給されるフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を、バイナリー発電装置内の有機媒体に熱移動する熱交換器と、
前記熱交換器でフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を供給された有機媒体を、気相と液相の二相状態で二相流タービンに供給してバイナリー発電を行う発電装置と、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器と、
前記第3汽水分離器で生成されるフラッシュ蒸気を集め、蓄圧機能を有し、安定した蒸気を供給する蒸気ヘッダーと、
前記蒸気ヘッダーより供給されるフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を、バイナリー発電装置内の有機媒体に熱移動する熱交換器と、
前記熱交換器でフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を供給された有機媒体を、気相と液相の二相状態で二相流タービンに供給してバイナリー発電を行う発電装置と、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
(請求項8)
燃料が、バイオマス燃料である請求項3〜5の何れかに記載の熱電併給システム。
燃料が、バイオマス燃料である請求項3〜5の何れかに記載の熱電併給システム。
本考案によれば、高速で回転するロータに対して、蒸気の流れがノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービンを提供することができる。
また、本考案によれば、蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部に吹き飛ばされ容易に排出可能であるラジアルアウトフロータービンを提供することができる。
さらに、本考案によれば、バイオマスボイラが発する蒸気の熱エネルギーをバイナリー発電装置に供する前に、前記ラジアルアウトフロータービンを2段或いは3段で導入し、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムを提供することができる。
以下、図面に基づいて、本考案を実施するための形態について説明する。
<実施態様1>
図1に基づき、本考案の実施態様1について説明する。図1は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様1を概念的に説明する図である。
図1に基づき、本考案の実施態様1について説明する。図1は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様1を概念的に説明する図である。
図1において、1はバイオマスボイラであり、該バイオマスボイラ1には、給水タンク2内の水が、加圧給水ポンプ3によって加圧されて導入される。
バイオマスボイラ1の燃料は、バイオマスであれば格別限定されるわけではないが、例えば木屑が用いられる。木屑としては、チップ、木片、オガクズ、バーク等を挙げることができる。
バイオマスボイラ1においては、加圧蒸気が得られる。バイオマスボイラ1で得た加圧蒸気は、本考案の熱電併給システム内における各配管での熱ロスにより乾き度が低下するため、所定の乾き度と想定する。
次いで、バイオマスボイラ1により得られた所定の乾き度の加圧蒸気は、乾き度1.0とするため、第1汽水分離器4に導入される。
該加圧蒸気は、第1汽水分離器4でドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。第1汽水分離器4の構造は、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成できれば格別限定されない。
第1汽水分離器4で分離・生成したドレーンは、高温、加圧状態であり、かかるドレーンは、給水タンク2に戻されて熱源として使用される。
第1汽水分離器4で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、第1タービン−発電機ユニットAに導入される。第1タービン−発電機ユニットAは、第1ラジアルアウトフロータービン5と第1誘導発電機6を備え、発電可能に構成されている。第1ラジアルアウトフロータービン5にフラッシュ蒸気が導入されると、第1誘導発電機6を駆動させ、所定の発電端出力が得られる。
第1ラジアルアウトフロータービン5で生成された蒸気は、第1ラジアルアウトフロータービン5のタービン内にて減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少するため、所定の湿り蒸気となっている。
次いで、この湿り蒸気は、第2汽水分離器7により、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。ドレーンは、高温・加圧状態の温水であり、給水タンク2に戻されて熱源として使用される。第2汽水分離器7の構造は、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成できれば、格別限定されない。
第2汽水分離器7で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、蓄圧機能を有する蒸気ヘッダー8に導入し、木材乾燥用蒸気として乾燥器9に移送して使用する。ここで、蒸気ヘッダー8と乾燥器9間の圧力損失を0.05MPaGと想定した。かかる蒸気は、木材乾燥用の他、工場や建物等の暖房用として使用してもよい。
乾燥器9で使用した蒸気は、気相状態から冷却されることで約40℃(外気により変動する)の温水となって給水タンク2に導入され、熱源として使用される。
なお、本考案の熱電併給システム全体で漏れ蒸気等として損失された水量分は、補給水として水道、井戸等から給水タンク2に補給されることが好ましい。
図1に示す実施態様1のシステムに用いられるラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置の構造は、格別限定されるわけではないが、好ましい装置の一例を図2、3に基づいて説明する。
図2は、ラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置の一例を示す概略斜視図であり、図3は、ラジアルアウトフロータービンの要部切欠拡大斜視図である。
本態様は、第1タービン−発電機ユニットAにより発電を行っている。図2に示すように、かかる発電は、第1汽水分離器4で分離・生成した蒸気を、第1タービン−発電機ユニットAのタービンケーシング599の上部に、矢印Y方向から導入し、該蒸気を回転エネルギーとして取り出し、下部に設けた減速機600を介して、例えば第1誘導発電機6により発電を行っている。そして、使用後の蒸気は、矢印X方向に排出され、第2汽水分離器7に導入される。
第1ラジアルアウトフロータービン5の具体的構成は、図3に示す。なお、後述する実施態様2、3で用いる第2ラジアルアウトフロータービン11は、該第1ラジアルアウトフロータービン5と同様の構造を成している。
タービン本体500の中心部には、上部矢印Y方向から蒸気を導入する蒸気導入路510が設けられている。該蒸気導入路510の下方には、整流凸部511及び整流ノズル512が設けられている。該整流凸部511及び該整流ノズル512は、該蒸気導入路510内を流下してきた蒸気の流れを、外周部位に流出させるものである。
そして、外周部位に送られた蒸気は、後述するタービンロータ520のブレード521に供給され、図3矢印Zに示すように、タービンロータ520を回動させる。
タービンロータ520の回動は、不図示の回転軸を介し、前記した減速機600に伝達され発電に供される。
本態様において、タービンロータ520とブレード521はチタン合金の一体型で構成され、ブレード521はタービンロータ520(ロータディスク)に直接加工されているので強度性に優れる。
このように、タービンの構造が、タービンロータ520とブレード521が一体加工され、かつ、円盤状の面盤でブレードの片側をサポートしたシンプルな構造となっており、通常の薄板翼の蒸気タービンと比べてより強度的に信頼性の高いものとなっている。
また、高速で回転するタービンロータ520に対して、蒸気の流れが整流ノズル512から円弧状のブレード521に流入する単純な構造となっているので、流入蒸気は、高速で回転するタービンロータ520の遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ良好に回転動力が得られる。
さらに、同時に蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部に吹き飛ばされ容易に排出される。
<実施態様2>
次いで、図4に基づき、本考案の実施態様2について説明する。図4は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様2を概念的に説明する図であり、実施態様1より発電量が大きい例である。
次いで、図4に基づき、本考案の実施態様2について説明する。図4は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様2を概念的に説明する図であり、実施態様1より発電量が大きい例である。
図4において、図1と同一の符号の部位は同一の構成であるので、図1の説明を援用し、省略する。ここでは、実施態様1と相違する実施態様2特有の構成について主に説明する。
実施態様2では、発電量を約500kWとするため、実施態様1に対して、更に第2タービン−発電機ユニットBを導入している。
すなわち、第2汽水分離器7で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、第2タービン−発電機ユニットBに導入される。第2タービン−発電機ユニットBは、第2ラジアルアウトフロータービン11と第2誘導発電機12を備え、発電可能に構成されている。
第2ラジアルアウトフロータービン11で生成された蒸気は、第2ラジアルアウトフロータービン11のタービン内にて減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少するため、所定の湿り蒸気となっている。
次いで、この湿り蒸気は、第3汽水分離器13により、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。該ドレーンは、高温・加圧状態の温水であり、給水タンク2に戻されて熱源として使用される。
第3汽水分離器13で分離・生成されるフラッシュ蒸気は、蒸気ヘッダー8に導入される。
蒸気ヘッダー8に導入されたフラッシュ蒸気は、熱交換器10に導入されて熱回収され、給水タンク2での熱源として使用される。
熱電併給システム内での熱水利用後の循環水は、蒸気ヘッダー8に導入されたフラッシュ蒸気により熱交換器10で加熱され、家庭用温水、温水プール、ロードヒーティング等の熱水利用に供される。
この実施態様2では、実施態様1に対して、更に第2タービン−発電機ユニットBを導入し、第1誘導発電機6及び第2誘導発電機12により、実施態様1より大きい電力が発電可能となる。
<実施態様3>
次に、図5に基づき、本考案の実施態様3につい説明する。図5は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様3を概念的に説明する図であり、実施態様2より発電量が大きい例である。
次に、図5に基づき、本考案の実施態様3につい説明する。図5は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様3を概念的に説明する図であり、実施態様2より発電量が大きい例である。
図5において、図4と同一の符号の部位は同一の構成であるので、図4の説明を援用し、省略する。ここでは、実施態様1と相違する実施態様3特有の構成について説明する。なお、実施態様3の説明は、実施態様1の説明が援用されている。
図5に示す実施態様3は、実施態様2より大きい発電量を得るために、実施態様2に対して、更にフレックスバイナリー装置を導入した。
すなわち第3汽水分離器13で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、蒸気ヘッダー8に導入される。蒸気ヘッダー8に導入されたフラッシュ蒸気は、フレックスバイナリー装置14に含まれる熱交換器200にて、コンデンサー203で冷却・凝縮された液相代替フロン(「HFC−245fa」又は「HFC−134a」)と熱交換させる。
また、蒸気ヘッダー8に導入されたフラッシュ蒸気は、凝縮する際に538kcal/kgの大量の凝縮潜熱を放出加熱するため、温水の対流伝熱に比べ効果的な加熱が可能となり、副次的に熱交換器200としてコンパクトな熱交換器を使用できる。
フレックスバイナリー装置14の代替フロン加圧ポンプ204で加圧された代替フロンは、熱交換器200で高温・高圧の液体、あるいは液体及び気体の混相流としてから第3タービン−発電機ユニットCの二相流タービン(VPT)201内のノズルに導入される。該第3タービン−発電機ユニットCは、二相流タービン(VPT)201と第3誘導発電機202を備える。
さらに、ノズルで減圧させた液相は、フラッシュさせて気液二相流として二相流タービン(VPT)201を駆動して、第3誘導発電機202で発電端出力約190kWの電力を得ることができる。
従来のオーガニックランキンサイクルやカリーナサイクルでは、作動媒体は熱交換器内で液相→気液二相→飽和蒸気→過熱蒸気と相変換されてタービンに流入する。従って、熱源温度と作動媒体との温度差が最小となるピンチポイントが存在し、これによってサイクルに取り込める熱源温度の制約を受ける。
一方、本考案のように、ノズル上流が液相の場合の二相流サイクル(VPC:Variable Phase Cycle)は、熱交換器内の圧力を飽和蒸気圧以上に設定して作動媒体を沸騰させないため、液相線上で作動媒体の熱交換器入口の下限温度を低くとれ、ランキンサイクルに比べ熱源から効率よく出力を得られるサイクルと言える。
二相流タービン(VPT)201から流出した代替フロンは、コンデンサー203で冷却水と熱交換され、冷却・凝縮される。このとき、冷却用に使用された冷水は、60〜70℃程度の温水として回収され、これを温室加温・建物暖房等の用途に使用することも可能である。上記のような熱需要が無い場合は、冷却用のクーリングタワーに戻し、冷却水として循環使用することもできる。
以上、本考案の実施態様を説明したが、実施態様1で説明したラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置は、実施態様2、3でも同様に用いることができる。
以上詳述したが、本考案に係る熱電併給システムにおいては、ラジアルアウトフロータービンでの発電後の蒸気は、加熱等のために充分な蒸気圧力・温度・流量を持っており、製材工場等の乾燥機の代わりに、吸収式冷凍機・蓄熱タンク等と組み合わせ、大型ビル・ミニ地域冷暖房用の蒸気熱源として多様に使用できる。
また、本考案において、燃料はバイオマスに限定されず、従って、ボイラもバイオマスボイラに限定されない。燃料が固体燃料ならば、籾殻ブリケット・稲わらペレット・褐炭を改質したバイオブリケット用ボイラ、石油・ガス燃料ボイラ等でもよく、またそれらを組み合わせてもよい。
以下に、本考案の実施例により、本考案の効果を例証する。ただし、本考案はかかる実施例により限定されない。
(実施例1)
図1に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け250kW熱電併給システムに基づき実験した。
図1に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け250kW熱電併給システムに基づき実験した。
図6には、図1に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
給水タンク2より加圧給水ポンプ3によりバイオマスボイラ1に給水する。加圧給水ポンプ3により、1.96MPaGまで加圧してバイオマスボイラ1に給水する。
バイオマスボイラ1で、木屑(チップ・木片・オガクズ・バーク)を燃焼させて1.96MPaGまで加圧された蒸気6800kg/h(8t/hボイラに対して木屑の含水量を考慮した実効値)を得る。
バイオマスボイラ1で得た蒸気は、途中の配管での熱ロスにより乾き度が低下するため乾き度を0.9と想定した。第1タービン−発電機ユニットAの第1ラジアルアウトフロータービン5に入る蒸気の乾き度を1.0とするため、第1汽水分離器4で温度213.9℃のドレーン−1と乾き度1.0のフラッシュ蒸気−1に分離させた。
該蒸気により、第1ラジアルアウトフロータービン5を駆動し、第1誘導発電機6で約256kW±5%の発電端出力を得ることができた。
第1汽水分離器4で分離・生成したドレーン−1は、高温・加圧状態であり、第1汽水分離器4と接続された配管で給水タンク2に戻され再利用される。
第1ラジアルアウトフロータービン5を出た蒸気は、温度162℃、圧力0.55MPaGの状態であるが、タービン内で減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少し、乾き度0.92の湿り蒸気となっている。
次いで、該蒸気は、第2汽水分離器7により、ドレーン−2とフラッシュ蒸気−2に分離・生成される。ドレーン−2は高温・加圧された温水であり、第2汽水分離器7と接続された配管で給水タンク2に戻され再利用される。
第2汽水分離器7を出たフラッシュ蒸気−2は、温度162℃、圧力0.55MPaG、乾き度1.0の状態で、蓄圧機能を有する蒸気ヘッダー8に導かれる。
その後、木材乾燥用蒸気として乾燥器9に移送され、木材乾燥の目的で使用される。乾燥器9で使用された蒸気は、気相状態から冷却される事で40℃±10℃の温水(外気温により変動)となり、戻り配管で給水タンク2に戻される。
(実施例2)
次に、図4に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け500kW熱電併給システムに基づき実験した。
次に、図4に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け500kW熱電併給システムに基づき実験した。
図7には、図4に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
第2汽水分離器7を出た温度162℃、圧力0.55MPaG、乾き度1.0のフラッシュ蒸気−2で、第2タービン−発電機ユニットBの第2ラジアルアウトフロータービン11を駆動させることにより、第2誘導発電機12で発電端出力275kW±5%の電力を得ることができた。
従って、実施態様2では、第1誘導発電機6で約256kW±5%の発電端出力が得られているので、合計の発電端出力が531kWの電力が得られる。
第2ラジアルアウトフロータービン11を出た蒸気は、タービン内で減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少し、温度100℃、圧力0MPaG、流量5630.4kg、乾き度0.9の湿り蒸気となる。
該蒸気は第3汽水分離器13に導かれ、ドレーン−3とフラッシュ蒸気−3に分離・生成される。100℃のドレーン−3は、給水タンク2に戻され再利用される。第1汽水分離器4からのドレーン−1及び第2汽水分離器7からのドレーン−2も、給水タンク2に回収される。
第3汽水分離器13を出たフラッシュ蒸気−3は、温度100℃、圧力0MPaG、乾き度1.0の状態で、蒸気ヘッダー8に回収される。
給水タンク2に回収されるトータルドレーン(1+2+3)は、温度100℃、熱水流量1732.6kg/hである。
一方、循環水は、蒸気ヘッダー8に回収された温度100℃、圧力0MPaG、蒸気流量5067.4kg/h、乾き度1.0のフラッシュ蒸気−3により更に加熱され、熱水利用として暖房、温水供給、温水プール、ロードヒーティング等の用途に供される。
凝縮された蒸気はドレーンとなり、給水タンク2に回収され再利用される。
(実施例3)
次に、図5に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け700kW熱電併給システムに基づき実験した。
次に、図5に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け700kW熱電併給システムに基づき実験した。
図8には、図5に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
蒸気ヘッダー8からの温度100℃、圧力0MPaG、蒸気流量5067.4kg/h、乾き度1.0のフラッシュ蒸気−3は、凝縮する際に1kg当たり538.8kcal/kg(2254kJ/kg)の大量の凝縮潜熱を放出加熱するために、温水の対流伝熱に比べて非常に素早く効果的に加熱が可能となり、副次的に熱交換器200としてコンパクトな熱交換器が使用できる。
フレックスバイナリー装置における第3タービン−発電機ユニットCの第3誘導発電機202で発電端出力約190kW±5%の電力を得ることができた。
つまり、実施態様3によると、531kW+190kW=721kWの発電端出力の電力が得られた。
(実施例4)
上記実施例1〜3の形態での熱電併給システムにおいて、熱効率の改善を図るためにバイオマスボイラ1の下流側の第2汽水分離器7より0.55MPaGの蒸気を抽気し、給水タンク2まで2点鎖線Dで示される配管で蒸気を供給することで給水加熱が可能となり、擬似的に再生サイクルとすることができた。
上記実施例1〜3の形態での熱電併給システムにおいて、熱効率の改善を図るためにバイオマスボイラ1の下流側の第2汽水分離器7より0.55MPaGの蒸気を抽気し、給水タンク2まで2点鎖線Dで示される配管で蒸気を供給することで給水加熱が可能となり、擬似的に再生サイクルとすることができた。
また、図8においては、熱需要が無い場合に発電量を増加させるために、フラッシュ蒸気の潜熱回収だけではなく、高温ドレーン水の顕熱を低い温度まで回収し、バイナリー発電装置の代替フロンと2段階で熱交換することで、第3タービン−発電機ユニットC内で二相流タービン(VPT)201に接続された第3誘導発電機202の容量アップが可能となる。
この場合には、ドレーン水の温度が低下するため、給水タンク2での抽気した蒸気で加熱することができる熱電併給システムとなる。
1:バイオマスボイラ
2:給水タンク
3:加圧給水ポンプ
4:第1汽水分離器
A:第1タービン−発電機ユニット
5:第1ラジアルアウトフロータービン
500:タービン本体
510:蒸気導入路
511:整流凸部
512:整流ノズル
520:タービンロータ
521:ブレード
599:タービンケーシング
6:第1誘導発電機
600:減速機
7:第2汽水分離器
8:蒸気ヘッダー
9:乾燥器
10:熱交換器
B:第2タービン−発電機ユニット
11:第2ラジアルアウトフロータービン
12:第2誘導発電機
13:第3汽水分離器
14:フレックスバイナリー装置
200:熱交換器
C:第3タービン−発電機ユニット
201:二相流タービン(VPT)
202:第3誘導発電機
203:コンデンサー
204:代替フロン加圧ポンプ
2:給水タンク
3:加圧給水ポンプ
4:第1汽水分離器
A:第1タービン−発電機ユニット
5:第1ラジアルアウトフロータービン
500:タービン本体
510:蒸気導入路
511:整流凸部
512:整流ノズル
520:タービンロータ
521:ブレード
599:タービンケーシング
6:第1誘導発電機
600:減速機
7:第2汽水分離器
8:蒸気ヘッダー
9:乾燥器
10:熱交換器
B:第2タービン−発電機ユニット
11:第2ラジアルアウトフロータービン
12:第2誘導発電機
13:第3汽水分離器
14:フレックスバイナリー装置
200:熱交換器
C:第3タービン−発電機ユニット
201:二相流タービン(VPT)
202:第3誘導発電機
203:コンデンサー
204:代替フロン加圧ポンプ
Claims (8)
- タービン本体の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路が設けられており、
前記蒸気導入路の下方には、該蒸気導入路内を流下してきた蒸気の流れを前記タービン本体の外周部位に流出させる整流凸部及び整流ノズルが設けられ、
前記整流凸部及び前記整流ノズルから送られる蒸気が、タービンロータのブレードに供給され、前記タービンロータを回動させて発電するラジアルアウトフロータービン。 - 前記タービンロータの外周部位に、前記ブレードが形成され、前記タービンロータと前記ブレードがチタン合金で一体型で構成されている請求項1記載のラジアルアウトフロータービン。
- 燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。 - 前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器を備える請求項3記載の熱電併給システム。
- 燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。 - 前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器を備える請求項5記載の熱電併給システム。
- 燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第1汽水分離器と、
前記第1汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第1誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第1ラジアルアウトフロータービンと、
前記第1ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第2汽水分離器と、
前記第2汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第2誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第2ラジアルアウトフロータービンと、
前記第2ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第3汽水分離器と、
前記第3汽水分離器で生成されるフラッシュ蒸気を集め、蓄圧機能を有し、安定した蒸気を供給する蒸気ヘッダーと、
前記蒸気ヘッダーより供給されるフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を、バイナリー発電装置内の有機媒体に熱移動する熱交換器と、
前記熱交換器でフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を供給された有機媒体を、気相と液相の二相状態で二相流タービンに供給してバイナリー発電を行う発電装置と、
を備える熱電併給システムであって、
前記第1ラジアルアウトフロータービン及び第2ラジアルアウトフロータービンとして、請求項1又は2記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。 - 燃料が、バイオマス燃料である請求項3〜7の何れかに記載の熱電併給システム。
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JP2015002856U JP3199309U (ja) | 2015-06-05 | 2015-06-05 | ラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電併給システム |
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JP2015002856U JP3199309U (ja) | 2015-06-05 | 2015-06-05 | ラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電併給システム |
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WO2017104916A1 (ko) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 포스코에너지 주식회사 | 반작용식 스팀 터빈 |
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2015
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WO2017104916A1 (ko) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 포스코에너지 주식회사 | 반작용식 스팀 터빈 |
CN108368741A (zh) * | 2015-12-15 | 2018-08-03 | Posco能源公司 | 反作用式蒸汽涡轮机 |
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