JP3676333B2 - ボトミングサイクル発電システム - Google Patents
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- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンやガスタービンのサイクルにて動力を得た後の排熱、あるいは、各種プラントで工業的に有益な仕事をなした後の排熱を利用して、発電を行うボトミングサイクル発電システムに関し、特に、１００℃〜５００℃の排熱から熱を回収して発電を行なうボトミングサイクル発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電に用いられる熱サイクルの１つとして、ランキンサクルが知られている。このサイクルを発電所に用いた例について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、従来技術の発電所の構成を示す図である。ボイラ１０２、復水器１０３、給水ポンプ１０４、過熱器１０５、発電機１０８、タービン１０９及び配管１１０−１〜１１０−３である。
また、図３は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
【０００３】
作動流体が水（蒸気）の場合、ボイラ１０２（及び過熱器１０５）から送られた過熱蒸気（図３：３）をタービン１０９で断熱膨張させ仕事を得る過程（図３：ｃ、発電機１０８は、この仕事を用いて発電を行なう）、排出された湿り蒸気（図３：４）を復水器１０３で等圧冷却して飽和水にする過程（図３：ｄ）、飽和水（図３：１）を給水ポンプ１０４で断熱圧縮して加圧水にする過程（図３：ａ）、加圧水（図３：２）をボイラ１０２（及び過熱器１０５）に押し込み、等圧加熱、蒸発、過熱して、再びもとの過熱蒸気（図３：３）とする過程（図３：ｂ）、から構成される。このサイクルでは、液体を圧縮するので、圧縮動力が小さくて済むという利点があり、その改良したサイクルが蒸気タービンに用いられている。
【０００４】
図２において、給水ポンプ１０４をターボポンプにし、タービン１０９と同軸に設置することにより、圧縮と膨張とを一体で行ない、効率を高める技術が知られている。しかし、給水ポンプ１０４とタービン１０９とが一体となったもの（以下「ポンプタービンシステム」という）と、発電機１０８とは、ギアなどを介して結合している。その場合、ポンプタービンシステムと発電機１０９とは、別々の容器（ケーシング）に収納される。そして、それらケーシングは、回転軸で連結されている。従って、ケーシングから回転軸が出る箇所では、作動流体の漏れを防止するシールが必要である。特に、作動流体が水ではなく、外部に漏れることが好ましくないと考えられているものの場合、非常に高性能なシールを用いることが必要となる。また、発電機として、効率の高い高速回転仕様のものを用いる場合、長期間安定的に働くシールを用意することは難しい。これらは、高コストの要因になる。従って、作動流体を外部に漏らさず、且つシールを容易に行なえることが望ましい。
【０００５】
また、ポンプタービンシステムと発電機１０８とは別々のため、それらを設置するスペースが大きくなる。しかし、建造物付属のオンサイトの発電システムを考える場合、地下等の限られたスペースを用いることが多い。従って、発電システムの占有するスペースを小さくして設置できることが望ましい。
【０００６】
一方、マイクロガスタービンの排気（２５０〜３００℃）や、ガスエンジンの排気（１００〜５００℃）のような中低温の排気から熱を回収する場合、従来技術では、水との熱交換により温水を生成する。温水は、吸収冷凍機や給湯システム等に用いられる。しかし、温水の場合、用途が限定されるため、必ずしも有効に使用されるとは限らない。従って、電気のような汎用性の高いエネルギーに変換できることが好ましい。
【０００７】
発電システムにおける作動流体を外部に漏れないようにする技術が求められている。高速回転の発電機を用いても作動流体に関するシールの問題が無い技術が求められている。発電システムを省スペースでコンパクトにする技術が望まれている。低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能な技術が望まれている。
【０００８】
関連する技術として、三菱重工技報（非特許文献１参照）に、中・低温の排熱回収システムの技術が開示されている。ここでは、水蒸気方式、熱水方式、低沸点媒体方式で中・低温の排熱回収を行う技術が示されている。
【０００９】
【非特許文献１】
真武幸一郎、外５名、中・低温及び冷熱源排熱回収発電システム、三菱重工報、三菱重工業株式会社、１９８０年１１月、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．６、ｐ．８９８−９０９
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、中低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、発電に用いられる作動流体を外部に漏れないようにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、高速回転の発電機を用いても、作動流体に関するシールの問題の無いボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的としては、発電システムを省スペースでコンパクトにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的としては、メンテナンスの回数を削減し、そのコストを低減することが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
従って、上記課題を解決するために、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）と、加熱用交換器（２）と、タービン（９）と、発電機（８）と、放熱用熱交換器（３）とを具備する。ターボポンプ（４）は、液相かつ低圧・低温の第１状態であるの作動流体を昇圧して、液相で高圧の第２状態にする。加熱用熱交換器（２）は、その第２状態の作動流体を昇温して、気相で高圧・高温の第３状態にする。タービン（９）は、ターボポンプ（４）と同軸に連結され、その第３状態の作動流体を膨張して低圧の第４状態にする。放熱用熱交換器（３）は、その第４状態の作動流体を降温して、その第１状態にする。発電機（８）は、ターボポンプ（４）と同軸に連結され、発電を行なう。ここで、タービン（９）は、その第３状態の作動流体が第４状態まで膨張する際、その作動流体により仕事をされて回転する。そして、タービン（９）は、その回転の動力にてターボポンプ（４）と、発電機（８）とを駆動することにより発電を行う。
ここで、加熱用熱交換器（２）は、高温排ガスや高温液体の熱により第２状態の液体を第３状態の気体にまで昇温する。放熱用熱交換器（３）は、常温の水などの液体や常温の大気により第４状態の作動流体を第１状態の液体にまで降温する。
【００１７】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）が、竪方向に設置された主軸（１３）を有する。そして、発電機（８）及びタービン（９）は、主軸（１３）に連結されている。
【００１８】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が、この順に上方から主軸（１３）に連結されている。
【００１９】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）と発電機（８）との間に、気液シール（５）が配設されている。
【００２０】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が、密閉容器（１）に収納されている。
【００２１】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その作動流体が、圧縮性熱媒体である。
【００２２】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その圧縮性熱媒体が、代替フロンである。
【００２３】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、加熱用熱交換器（２）が、１００℃以上、５００℃以下の高温排ガス又は高温液体を用いる。
【００２４】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、往復動エンジン、ボイラ及びガスタービンの少なくとも１つより排出される。
ここで、往復運動エンジンは、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関に例示される。
【００２５】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、地熱、プラント排熱の少なくとも１つである。
【００２６】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受け（７）で回転自在に保持される。
【００２７】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムはタービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受け（７）で回転自在に保持される。
【００２８】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、熱媒体を冷却剤とする転がり軸受け（７）を介して回転自在に保持される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００３０】
先ず、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を説明する。
図１は、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
ボトミングサイクル発電システムは、容器１、蒸発器２、ラジエタ３、ポンプ４、スラストベアリング６、媒体ガスベアリング７（−１〜２）、発電機８、タービン９、配管１０（−１〜４）、ラジエタ配管１１（−１〜２）、蒸発器配管１２（−１〜２）、主軸１３を具備する。
【００３１】
容器１は、ポンプ４、発電機８、タービン９及び関連機器を納めている。外部に作動流体がリークしないように、配管１０の接合部以外は密閉されている。そして、容器１、配管１０の各々、蒸発器２及びラジエタ３において、作動流体がリークしないように、密閉系を形成している。
【００３２】
加熱用交換器としての蒸発器２は、熱交換器である。熱交換器の高温側に供給されるものは、蒸発器配管１２−１経由で供給される加熱用の液体やガスである。低温熱交側に供給されるものは、配管１０−２経由で供給される作動流体としての液相で高圧の第２状態としての状態２の作動流体である。そして、作動流体は、加熱用の液体やガスと熱交換を行ない、昇温されて気化され、気相で高圧・高温の第３状態としての状態３の作動流体となる。状態３の作動流体は、配管１０−３へ送出される。
【００３３】
ここで、作動流体は、代替フロンに例示される熱媒体である。ランキンサイクルを１００℃〜４００℃の温度範囲で実行可能な材料であれば良い。また、加熱用の液体やガスは、マイクロガスタービンの排気やエンジンの排気、ボイラの排気に例示される高温の流体（液体、気体）である。熱媒体の温度は、２００〜５００℃である。
【００３４】
タービン９は、配管１０−３経由で供給される気相で高圧・高温の状態３の作動流体を断熱膨張させて、そのとき仕事を得る。その仕事により、タービン９が回転し、その回転により主軸１３が回転する。そして、状態３の作動流体は、低圧の第４状態としての状態４の作動流体となる。タービン９は、ポンプ４及び発電機８と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。低圧の状態４の作動流体は、配管１０−４へ送出される。主軸１３は、タービンにおける主軸となっている。
【００３５】
放熱用熱交換器としてのラジエタ３は、熱交換器である。熱交換器の低温側に供給されるものは、ラジエタ配管１１−１経由で供給される海水や冷却塔にて冷却された水や大気などのラジエタ用の熱媒体である。熱交換器の高温側に供給されるものは、配管１０−４経由で供給される低圧の状態４の作動流体である。そして、状態４の作動流体は、ラジエタ用の熱媒体と熱交換を行ない、等圧で冷却されて液化され、第１状態としての状態１の作動流体となる。状態１の作動流体は、配管１０−１へ送出される。
【００３６】
ここで、ラジエタ用の熱媒体は、空気や水に例示される低温の流体（液体、気体）である。熱媒体の温度は、第１状態としての状態１の作動流体の温度よりも低い温度である。そして、作動流体の流動性に問題を起こさない範囲で、より低い温度であることが好ましい。
【００３７】
ポンプ４は、主軸１３を介して伝達されたタービン９の回転により回転するターボポンプである。配管１０−１経由で供給される液相かつ低圧・低温の状態１の作動流体を加圧して、液相で高圧の第２状態としての状態２の作動流体とする。状態２の作動流体は、加熱用熱交換器２へ送出される。主軸１３を竪方向（鉛直方向）にして設置され、タービン９及び発電機８と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。主軸１３は、ターボポンプにおける主軸となっている。
【００３８】
発電機８は、ポンプ４とタービン９と主軸１３を介して同軸に連結し一体化され、主軸１３を介して伝達されたタービン９の回転により回転し、発電を行なう。発電機８は、同期発電機や誘導発電機に例示される。タービン９及びポンプ４と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。主軸１３は、発電機８における回転子の回転軸となっている。発電機８の回転数は、通常の発電装置で使われる３０００ｒｐｍや３６００ｒｐｍを用いることができる。ただし、これ以上の回転数のものが好ましい。
【００３９】
主軸１３は、ポンプ４、タービン９及び発電機８のそれぞれの回転軸（主軸）を一体化させた、回転のための一つの軸である。ポンプ４、タービン９及び発電機８が連結され一体化し、タービン９の回転をポンプ４及び発電機８へ伝達する。
【００４０】
固定された円盤状の部材５ａと５ｂと回転する円盤状の部材５ｃから構成されるスラストベアリング６は、主軸１３方向（竪方向、鉛直方向）の負荷（荷重）を支え、且つ、主軸１３の回転のための軸受である。また、ポンプ４に供給される液体の状態１の作動流体、及びポンプ４で生成される液体の状態２の作動流体が、スラストベアリング６の上部の発電機８側へリークしないための気液シールの機能も有する。気液シール機能のみを持たせることも可能である。その場合、スラストベアリング６は気液シールとなり、他のスラストベアリングを気液シールよりも発電機８側に追加する。
【００４１】
スラストベアリング６は、主軸１３方向（竪方向、鉛直方向）の負荷（荷重）を支え、且つ、主軸１３の回転のための軸受である。
【００４２】
媒体ガスベアリング７（−１〜２）は、発電機８部分の主軸１３の回転を支える軸受けである。気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受けである。ただし、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受けや熱媒体を冷却剤とする転がり軸受けを用いることも可能である。
【００４３】
配管１０−１は、一端部をラジエタ３の高温熱交側に、他端部をポンプ４に開放されて接続している。配管１０−２は、一端部をポンプ４に、他端部を蒸発器２の高温熱交側に開放されて接続している。配管１０−３は、一端部を蒸発器２の高温熱交側に、他端部をタービン９に開放されて接続している。配管１０−４は、一端部をタービン９に、他端部をラジエタ３の高温熱交側に開放されて接続している。
蒸発器配管１２−１〜２は、蒸発器２の低温熱交側に開放されて接続している。ラジエタ配管１１−１〜２は、ラジエタ３の低温熱交側に開放されて接続している。
【００４４】
上記の構成により、密閉された容器１内において、タービン９とポンプ４との間に同軸に発電機８が組み込まれ一体化しているので、従来のシステムのようにタービン９と外気、ポンプ４と外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機を含めてこれら３つの構成要素を一まとめにして密閉することで、作動流体のリークを確実に防止することが可能となる。
【００４５】
また、ポンプ４の設置を竪型（主軸１３の方向が鉛直方向）とし、スラストベアリング６に気液シール機能を持たせている。そうすることにより、作動流体（液体）が発電機８やタービン９の側へ向かうことを安定的に防止することが可能となる。
【００４６】
次に、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における動作を、図１及び図３を参照して説明する。ただし、図３は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
ここでは、作動流体として代替フロン、加熱用の熱媒体としてガスタービンの排気、ラジエタ用の熱媒体として空気を用いる場合を例として説明する。
【００４７】
（１）代替フロンは、配管１０−１を介してラジエタ３からポンプ４へ供給される。このときの代替フロンの状態は、図３における「状態１」であり、液体である。ここでは、代替フロンは約５０℃である。
（２）ポンプ４は、「状態１」の代替フロンを、圧縮する。この過程は、図３における「ａ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態２」となり、液体である。
（３）「状態２」の代替フロンは、配管１０−２を介してポンプ４から蒸発器２へ供給される。
（４）蒸発器２は、「状態２」の代替フロンを、マイクロガスタービンの燃焼ガスの排熱（２５０℃）により等圧加熱、蒸発、過熱する。この過程は、図３における「ｂ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態３」となり、気体となる。ここでは、代替フロンは約２００℃である。
（５）「状態３」の代替フロンは、配管１０−３を介して蒸発器２からタービン９へ供給される。
（６）タービン９は、「状態３」の代替フロンを断熱膨張させることにより、仕事を得る（発電機８は、この仕事を用いて発電を行なう）。この過程は、図３における「ｃ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態４」となり、気体または湿り蒸気である。ここでは、代替フロンの仕事により、タービン９の回転数が数千〜数万ｒｐｍとなる。発電機８は、この回転のエネルギーを用いて発電を行なう。
（７）「状態４」の状態の代替フロンは、配管１０−４を介してタービン９からラジエタ３へ供給される。
（８）ラジエタ４は、「状態４」の代替フロンを、外気（空気、約２０℃）により等圧冷却する。この過程は、図３における「ｄ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態１」となり、液体となる。
そして、上記（１）〜（８）の過程が繰り返される。
【００４８】
ただし、「状態１」の代替フロンは、液相かつ低圧・低温である。「状態２」の代替フロンは液相かつ高圧である。「状態３」の代替フロンは、気相で高圧・高温である。「状態４」の代替フロンは、低圧で気相または湿り蒸気である。
【００４９】
上記ボトミングサイクル発電システムにより、マイクロガスタービンやエンジン、ボイラ等の排気のような低温（１００〜５００℃）の排熱を、代替フロンのような熱媒体に回収して、この熱媒体を用いて高速発電機により発電を行なうことが可能となる。すなわち、ボトミングサイクル発電システムにより、低温の排熱を回収し、電力のような汎用性の高いエネルギーに変換することができる。
【００５０】
そして、ボトミングサイクル発電システムをマイクロガスタービンやエンジン、ボイラを用いた発電装置と組み合わせることにより、それらの発電装置の効率を向上させることが出来る。それと同時に、取り出すことが出来る電力量を増加させることが可能となる。
【００５１】
また、本発明では、容器１内において、タービン９とポンプ４との間に同軸に発電機８が組み込まれ一体化しているので、タービン９及びポンプ４と外気との間にシールを行なう必要が無く、作動流体（液体）が外部に漏れない構造になっている。従って、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することが出来る。
【００５２】
タービン９、ポンプ４及び発電機８を一体化していること、及びそれらを竪型に配置していることで、設備の大きさがコンパクトになり、設置スペースが小さくて済む。すなわち、オンサイトでの設置をより簡単に実施でき、設置コストや設置スペースにかかるコストを低減することができる。
【００５３】
本実施例では、ランキンサイクルを用いているが、ランキンサイクルを応用した再生サイクルや再熱サイクルを用いることも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明により、作動流体を外部に漏らさぬようにしながら、低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】従来技術の発電所の構成を示す図である。
【図３】ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。
【符号の説明】
１ 密閉容器
２ 蒸発器
３ ラジエタ
４ ポンプ
５（a、ｂ、ｃ） 部材
６ スラストベアリング
７（−１〜２） 媒体ガスベアリング
８ 発電機
９ タービン
１０（−１〜４） 配管
１１（−１〜２） ラジエタ配管
１２（−１〜２） 蒸発器配管
１３ 主軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンやガスタービンのサイクルにて動力を得た後の排熱、あるいは、各種プラントで工業的に有益な仕事をなした後の排熱を利用して、発電を行うボトミングサイクル発電システムに関し、特に、１００℃〜５００℃の排熱から熱を回収して発電を行なうボトミングサイクル発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電に用いられる熱サイクルの１つとして、ランキンサクルが知られている。このサイクルを発電所に用いた例について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、従来技術の発電所の構成を示す図である。ボイラ１０２、復水器１０３、給水ポンプ１０４、過熱器１０５、発電機１０８、タービン１０９及び配管１１０−１〜１１０−３である。
また、図３は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
【０００３】
作動流体が水（蒸気）の場合、ボイラ１０２（及び過熱器１０５）から送られた過熱蒸気（図３：３）をタービン１０９で断熱膨張させ仕事を得る過程（図３：ｃ、発電機１０８は、この仕事を用いて発電を行なう）、排出された湿り蒸気（図３：４）を復水器１０３で等圧冷却して飽和水にする過程（図３：ｄ）、飽和水（図３：１）を給水ポンプ１０４で断熱圧縮して加圧水にする過程（図３：ａ）、加圧水（図３：２）をボイラ１０２（及び過熱器１０５）に押し込み、等圧加熱、蒸発、過熱して、再びもとの過熱蒸気（図３：３）とする過程（図３：ｂ）、から構成される。このサイクルでは、液体を圧縮するので、圧縮動力が小さくて済むという利点があり、その改良したサイクルが蒸気タービンに用いられている。
【０００４】
図２において、給水ポンプ１０４をターボポンプにし、タービン１０９と同軸に設置することにより、圧縮と膨張とを一体で行ない、効率を高める技術が知られている。しかし、給水ポンプ１０４とタービン１０９とが一体となったもの（以下「ポンプタービンシステム」という）と、発電機１０８とは、ギアなどを介して結合している。その場合、ポンプタービンシステムと発電機１０９とは、別々の容器（ケーシング）に収納される。そして、それらケーシングは、回転軸で連結されている。従って、ケーシングから回転軸が出る箇所では、作動流体の漏れを防止するシールが必要である。特に、作動流体が水ではなく、外部に漏れることが好ましくないと考えられているものの場合、非常に高性能なシールを用いることが必要となる。また、発電機として、効率の高い高速回転仕様のものを用いる場合、長期間安定的に働くシールを用意することは難しい。これらは、高コストの要因になる。従って、作動流体を外部に漏らさず、且つシールを容易に行なえることが望ましい。
【０００５】
また、ポンプタービンシステムと発電機１０８とは別々のため、それらを設置するスペースが大きくなる。しかし、建造物付属のオンサイトの発電システムを考える場合、地下等の限られたスペースを用いることが多い。従って、発電システムの占有するスペースを小さくして設置できることが望ましい。
【０００６】
一方、マイクロガスタービンの排気（２５０〜３００℃）や、ガスエンジンの排気（１００〜５００℃）のような中低温の排気から熱を回収する場合、従来技術では、水との熱交換により温水を生成する。温水は、吸収冷凍機や給湯システム等に用いられる。しかし、温水の場合、用途が限定されるため、必ずしも有効に使用されるとは限らない。従って、電気のような汎用性の高いエネルギーに変換できることが好ましい。
【０００７】
発電システムにおける作動流体を外部に漏れないようにする技術が求められている。高速回転の発電機を用いても作動流体に関するシールの問題が無い技術が求められている。発電システムを省スペースでコンパクトにする技術が望まれている。低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能な技術が望まれている。
【０００８】
関連する技術として、三菱重工技報（非特許文献１参照）に、中・低温の排熱回収システムの技術が開示されている。ここでは、水蒸気方式、熱水方式、低沸点媒体方式で中・低温の排熱回収を行う技術が示されている。
【０００９】
【非特許文献１】
真武幸一郎、外５名、中・低温及び冷熱源排熱回収発電システム、三菱重工報、三菱重工業株式会社、１９８０年１１月、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．６、ｐ．８９８−９０９
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、中低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、発電に用いられる作動流体を外部に漏れないようにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、高速回転の発電機を用いても、作動流体に関するシールの問題の無いボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的としては、発電システムを省スペースでコンパクトにすることが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的としては、メンテナンスの回数を削減し、そのコストを低減することが可能なボトミングサイクル発電システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
従って、上記課題を解決するために、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）と、加熱用交換器（２）と、タービン（９）と、発電機（８）と、放熱用熱交換器（３）とを具備する。ターボポンプ（４）は、液相かつ低圧・低温の第１状態であるの作動流体を昇圧して、液相で高圧の第２状態にする。加熱用熱交換器（２）は、その第２状態の作動流体を昇温して、気相で高圧・高温の第３状態にする。タービン（９）は、ターボポンプ（４）と同軸に連結され、その第３状態の作動流体を膨張して低圧の第４状態にする。放熱用熱交換器（３）は、その第４状態の作動流体を降温して、その第１状態にする。発電機（８）は、ターボポンプ（４）と同軸に連結され、発電を行なう。ここで、タービン（９）は、その第３状態の作動流体が第４状態まで膨張する際、その作動流体により仕事をされて回転する。そして、タービン（９）は、その回転の動力にてターボポンプ（４）と、発電機（８）とを駆動することにより発電を行う。
ここで、加熱用熱交換器（２）は、高温排ガスや高温液体の熱により第２状態の液体を第３状態の気体にまで昇温する。放熱用熱交換器（３）は、常温の水などの液体や常温の大気により第４状態の作動流体を第１状態の液体にまで降温する。
【００１７】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）が、竪方向に設置された主軸（１３）を有する。そして、発電機（８）及びタービン（９）は、主軸（１３）に連結されている。
【００１８】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が、この順に上方から主軸（１３）に連結されている。
【００１９】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、ターボポンプ（４）と発電機（８）との間に、気液シール（５）が配設されている。
【００２０】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が、密閉容器（１）に収納されている。
【００２１】
また、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その作動流体が、圧縮性熱媒体である。
【００２２】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その圧縮性熱媒体が、代替フロンである。
【００２３】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、加熱用熱交換器（２）が、１００℃以上、５００℃以下の高温排ガス又は高温液体を用いる。
【００２４】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、往復動エンジン、ボイラ及びガスタービンの少なくとも１つより排出される。
ここで、往復運動エンジンは、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関に例示される。
【００２５】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、その排熱が、地熱、プラント排熱の少なくとも１つである。
【００２６】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受け（７）で回転自在に保持される。
【００２７】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムはタービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受け（７）で回転自在に保持される。
【００２８】
更に、本発明のボトミングサイクル発電システムは、タービン（９）、発電機（８）及びターボポンプ（４）が連結されている主軸（１３）は、熱媒体を冷却剤とする転がり軸受け（７）を介して回転自在に保持される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００３０】
先ず、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を説明する。
図１は、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
ボトミングサイクル発電システムは、容器１、蒸発器２、ラジエタ３、ポンプ４、スラストベアリング６、媒体ガスベアリング７（−１〜２）、発電機８、タービン９、配管１０（−１〜４）、ラジエタ配管１１（−１〜２）、蒸発器配管１２（−１〜２）、主軸１３を具備する。
【００３１】
容器１は、ポンプ４、発電機８、タービン９及び関連機器を納めている。外部に作動流体がリークしないように、配管１０の接合部以外は密閉されている。そして、容器１、配管１０の各々、蒸発器２及びラジエタ３において、作動流体がリークしないように、密閉系を形成している。
【００３２】
加熱用交換器としての蒸発器２は、熱交換器である。熱交換器の高温側に供給されるものは、蒸発器配管１２−１経由で供給される加熱用の液体やガスである。低温熱交側に供給されるものは、配管１０−２経由で供給される作動流体としての液相で高圧の第２状態としての状態２の作動流体である。そして、作動流体は、加熱用の液体やガスと熱交換を行ない、昇温されて気化され、気相で高圧・高温の第３状態としての状態３の作動流体となる。状態３の作動流体は、配管１０−３へ送出される。
【００３３】
ここで、作動流体は、代替フロンに例示される熱媒体である。ランキンサイクルを１００℃〜４００℃の温度範囲で実行可能な材料であれば良い。また、加熱用の液体やガスは、マイクロガスタービンの排気やエンジンの排気、ボイラの排気に例示される高温の流体（液体、気体）である。熱媒体の温度は、２００〜５００℃である。
【００３４】
タービン９は、配管１０−３経由で供給される気相で高圧・高温の状態３の作動流体を断熱膨張させて、そのとき仕事を得る。その仕事により、タービン９が回転し、その回転により主軸１３が回転する。そして、状態３の作動流体は、低圧の第４状態としての状態４の作動流体となる。タービン９は、ポンプ４及び発電機８と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。低圧の状態４の作動流体は、配管１０−４へ送出される。主軸１３は、タービンにおける主軸となっている。
【００３５】
放熱用熱交換器としてのラジエタ３は、熱交換器である。熱交換器の低温側に供給されるものは、ラジエタ配管１１−１経由で供給される海水や冷却塔にて冷却された水や大気などのラジエタ用の熱媒体である。熱交換器の高温側に供給されるものは、配管１０−４経由で供給される低圧の状態４の作動流体である。そして、状態４の作動流体は、ラジエタ用の熱媒体と熱交換を行ない、等圧で冷却されて液化され、第１状態としての状態１の作動流体となる。状態１の作動流体は、配管１０−１へ送出される。
【００３６】
ここで、ラジエタ用の熱媒体は、空気や水に例示される低温の流体（液体、気体）である。熱媒体の温度は、第１状態としての状態１の作動流体の温度よりも低い温度である。そして、作動流体の流動性に問題を起こさない範囲で、より低い温度であることが好ましい。
【００３７】
ポンプ４は、主軸１３を介して伝達されたタービン９の回転により回転するターボポンプである。配管１０−１経由で供給される液相かつ低圧・低温の状態１の作動流体を加圧して、液相で高圧の第２状態としての状態２の作動流体とする。状態２の作動流体は、加熱用熱交換器２へ送出される。主軸１３を竪方向（鉛直方向）にして設置され、タービン９及び発電機８と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。主軸１３は、ターボポンプにおける主軸となっている。
【００３８】
発電機８は、ポンプ４とタービン９と主軸１３を介して同軸に連結し一体化され、主軸１３を介して伝達されたタービン９の回転により回転し、発電を行なう。発電機８は、同期発電機や誘導発電機に例示される。タービン９及びポンプ４と主軸１３を介して同軸に連結されている（一体化されている）。主軸１３は、発電機８における回転子の回転軸となっている。発電機８の回転数は、通常の発電装置で使われる３０００ｒｐｍや３６００ｒｐｍを用いることができる。ただし、これ以上の回転数のものが好ましい。
【００３９】
主軸１３は、ポンプ４、タービン９及び発電機８のそれぞれの回転軸（主軸）を一体化させた、回転のための一つの軸である。ポンプ４、タービン９及び発電機８が連結され一体化し、タービン９の回転をポンプ４及び発電機８へ伝達する。
【００４０】
固定された円盤状の部材５ａと５ｂと回転する円盤状の部材５ｃから構成されるスラストベアリング６は、主軸１３方向（竪方向、鉛直方向）の負荷（荷重）を支え、且つ、主軸１３の回転のための軸受である。また、ポンプ４に供給される液体の状態１の作動流体、及びポンプ４で生成される液体の状態２の作動流体が、スラストベアリング６の上部の発電機８側へリークしないための気液シールの機能も有する。気液シール機能のみを持たせることも可能である。その場合、スラストベアリング６は気液シールとなり、他のスラストベアリングを気液シールよりも発電機８側に追加する。
【００４１】
スラストベアリング６は、主軸１３方向（竪方向、鉛直方向）の負荷（荷重）を支え、且つ、主軸１３の回転のための軸受である。
【００４２】
媒体ガスベアリング７（−１〜２）は、発電機８部分の主軸１３の回転を支える軸受けである。気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受けである。ただし、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受けや熱媒体を冷却剤とする転がり軸受けを用いることも可能である。
【００４３】
配管１０−１は、一端部をラジエタ３の高温熱交側に、他端部をポンプ４に開放されて接続している。配管１０−２は、一端部をポンプ４に、他端部を蒸発器２の高温熱交側に開放されて接続している。配管１０−３は、一端部を蒸発器２の高温熱交側に、他端部をタービン９に開放されて接続している。配管１０−４は、一端部をタービン９に、他端部をラジエタ３の高温熱交側に開放されて接続している。
蒸発器配管１２−１〜２は、蒸発器２の低温熱交側に開放されて接続している。ラジエタ配管１１−１〜２は、ラジエタ３の低温熱交側に開放されて接続している。
【００４４】
上記の構成により、密閉された容器１内において、タービン９とポンプ４との間に同軸に発電機８が組み込まれ一体化しているので、従来のシステムのようにタービン９と外気、ポンプ４と外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機を含めてこれら３つの構成要素を一まとめにして密閉することで、作動流体のリークを確実に防止することが可能となる。
【００４５】
また、ポンプ４の設置を竪型（主軸１３の方向が鉛直方向）とし、スラストベアリング６に気液シール機能を持たせている。そうすることにより、作動流体（液体）が発電機８やタービン９の側へ向かうことを安定的に防止することが可能となる。
【００４６】
次に、本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における動作を、図１及び図３を参照して説明する。ただし、図３は、ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。縦軸は作動流体の圧力、横軸は作動流体の体積である。
ここでは、作動流体として代替フロン、加熱用の熱媒体としてガスタービンの排気、ラジエタ用の熱媒体として空気を用いる場合を例として説明する。
【００４７】
（１）代替フロンは、配管１０−１を介してラジエタ３からポンプ４へ供給される。このときの代替フロンの状態は、図３における「状態１」であり、液体である。ここでは、代替フロンは約５０℃である。
（２）ポンプ４は、「状態１」の代替フロンを、圧縮する。この過程は、図３における「ａ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態２」となり、液体である。
（３）「状態２」の代替フロンは、配管１０−２を介してポンプ４から蒸発器２へ供給される。
（４）蒸発器２は、「状態２」の代替フロンを、マイクロガスタービンの燃焼ガスの排熱（２５０℃）により等圧加熱、蒸発、過熱する。この過程は、図３における「ｂ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態３」となり、気体となる。ここでは、代替フロンは約２００℃である。
（５）「状態３」の代替フロンは、配管１０−３を介して蒸発器２からタービン９へ供給される。
（６）タービン９は、「状態３」の代替フロンを断熱膨張させることにより、仕事を得る（発電機８は、この仕事を用いて発電を行なう）。この過程は、図３における「ｃ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態４」となり、気体または湿り蒸気である。ここでは、代替フロンの仕事により、タービン９の回転数が数千〜数万ｒｐｍとなる。発電機８は、この回転のエネルギーを用いて発電を行なう。
（７）「状態４」の状態の代替フロンは、配管１０−４を介してタービン９からラジエタ３へ供給される。
（８）ラジエタ４は、「状態４」の代替フロンを、外気（空気、約２０℃）により等圧冷却する。この過程は、図３における「ｄ」の過程である。そして、代替フロンの状態は、図３における「状態１」となり、液体となる。
そして、上記（１）〜（８）の過程が繰り返される。
【００４８】
ただし、「状態１」の代替フロンは、液相かつ低圧・低温である。「状態２」の代替フロンは液相かつ高圧である。「状態３」の代替フロンは、気相で高圧・高温である。「状態４」の代替フロンは、低圧で気相または湿り蒸気である。
【００４９】
上記ボトミングサイクル発電システムにより、マイクロガスタービンやエンジン、ボイラ等の排気のような低温（１００〜５００℃）の排熱を、代替フロンのような熱媒体に回収して、この熱媒体を用いて高速発電機により発電を行なうことが可能となる。すなわち、ボトミングサイクル発電システムにより、低温の排熱を回収し、電力のような汎用性の高いエネルギーに変換することができる。
【００５０】
そして、ボトミングサイクル発電システムをマイクロガスタービンやエンジン、ボイラを用いた発電装置と組み合わせることにより、それらの発電装置の効率を向上させることが出来る。それと同時に、取り出すことが出来る電力量を増加させることが可能となる。
【００５１】
また、本発明では、容器１内において、タービン９とポンプ４との間に同軸に発電機８が組み込まれ一体化しているので、タービン９及びポンプ４と外気との間にシールを行なう必要が無く、作動流体（液体）が外部に漏れない構造になっている。従って、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することが出来る。
【００５２】
タービン９、ポンプ４及び発電機８を一体化していること、及びそれらを竪型に配置していることで、設備の大きさがコンパクトになり、設置スペースが小さくて済む。すなわち、オンサイトでの設置をより簡単に実施でき、設置コストや設置スペースにかかるコストを低減することができる。
【００５３】
本実施例では、ランキンサイクルを用いているが、ランキンサイクルを応用した再生サイクルや再熱サイクルを用いることも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明により、作動流体を外部に漏らさぬようにしながら、低温の排熱を回収して発電を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるボトミングサイクル発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】従来技術の発電所の構成を示す図である。
【図３】ランキンサイクルにおける作動流体の圧力と体積との関係を示すグラフ（Ｐ-ｖ線図）である。
【符号の説明】
１ 密閉容器
２ 蒸発器
３ ラジエタ
４ ポンプ
５（a、ｂ、ｃ） 部材
６ スラストベアリング
７（−１〜２） 媒体ガスベアリング
８ 発電機
９ タービン
１０（−１〜４） 配管
１１（−１〜２） ラジエタ配管
１２（−１〜２） 蒸発器配管
１３ 主軸
Claims (10)
- 液相で低圧、低温の第１状態である作動流体を昇圧して、液相で高圧の第２状態にするターボポンプと、
前記第２状態の前記作動流体を昇温して、気相で高圧、高温の第３状態にする加熱用交換器と、
前記ターボポンプと同軸に連結され、前記第３状態の前記作動流体を膨張して低圧の第４状態にするタービンと、
前記第４状態の前記作動流体を降温して、前記第１状態にする放熱用熱交換器と、
前記ターボポンプと同軸に連結され、発電を行う発電機と、
を具備し、
前記タービンは、第３状態の前記作動流体が第４状態まで膨張する際、前記作動流体により仕事をされて回転し、前記回転の動力にて前記ターボポンプと、前記発電機とを駆動することにより発電を行い、
前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプは、密閉容器に収納され、
前記加熱用熱交換器及び前記放熱用熱交換器は、密閉容器外に別に設けられ、
前記ターボポンプは、竪方向に設置された主軸を有し、前記タービン、前記発電機及び前記ターボポンプは、この順に上方から前記主軸に連結されている
ボトミングサイクル発電システム。 - 前記ターボポンプと前記発電機との間に、気液シールが配設されている、
請求項１に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記作動流体は、圧縮性熱媒体である、
請求項１又は２に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記圧縮性熱媒体は、代替フロンである、
請求項３に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記加熱用熱交換器は、１００℃以上、５００℃以下の高温排ガス又は高温液体を用いる、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記高温排ガス又は前記高温液体は、往復動エンジン、ボイラ及びガスタービンの少なくとも１つより排出される、
請求項５に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記高温排ガス又は前記高温液体は、地熱、プラント排熱の少なくとも１つである、
請求項５に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記主軸は、気相の熱媒体を介して浮揚される気体軸受けで回転自在に保持される、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記主軸は、液相の熱媒体を介して浮揚される液体すべり軸受けで回転自在に保持される、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。 - 前記主軸は、熱媒体を冷却剤とする転がり軸受けを介して回転自在に保持される、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボトミングサイクル発電システム。
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