JP4310132B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的低温の排熱などを回収して、この熱エネルギーを電力に変換する発電装置および発電方法に係り、特に外部条件の変動に対しても、送液ポンプのキャビテーションを防止し、安定して運転できるようにした発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
火力発電所等の高温エネルギーを利用する発電設備では、一般に水を作動媒体にして高温の蒸気を生成し、蒸気タービン発電機を回転駆動することで発電を行っている。また、ガスタービン発電設備においては、高温の燃焼ガスを生成し、これによりガスタービン発電機を回転駆動することで発電を行っている。これらはいずれも高温の熱エネルギーを電力エネルギーに変換するものである。これに対し、200〜400℃程度の排ガスあるいは100〜150℃の排温水など比較的低温度の廃熱を有効に利用する発電装置が知られている。この発電装置は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズシステムの発電装置であり、装置のコンパクト化のために、作動媒体として水ではなく、低沸点の作動媒体が用いられている。(たとえば、特許文献1参照)
【0003】
低沸点の作動媒体を用いた場合、作動媒体の飽和圧力が高いので、液ヘッドで作動媒体に押し込みヘッドをかけていても、冷却源の温度変動、特に、冷却水あるいは冷却空気の急激な温度変動があった場合に、凝縮器からポンプまでの間の作動媒体が沸騰蒸発し、作動媒体の送液ポンプがキャビテーションを起こすという問題がある。キャビテーションが起ると、所要の吐出ヘッドの確保ができず、作動媒体の循環に不具合をきたし、不安定な運転となり、場合によっては、蒸気発生器の液面低下により運転不能に陥るという問題があった。
【0004】
また、蒸気発生器の熱源温度により、作動媒体の沸騰状態が変化し、気泡含有率が変動して、蒸気発生器の作動媒体の封入量が大きく変化する。作動媒体の機器間の偏りにより、たとえば、蒸気発生器側に作動媒体が行き過ぎると凝縮器側の液量が不足し、ポンプのキャビテーションが発生し、上述と同様の不具合を生じる問題があった。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−110514号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このようなクローズドシステムの発電装置において、送液ポンプは凝縮器により凝縮された作動媒体の凝縮液を蒸発器に送り込むのに不可欠なものである。そして、このポンプに上述したようにキャビテーションが発生すると、発電装置が全体として動作不能となる。このため、凝縮器の冷却源の温度変動があっても、これにより作動媒体の送液ポンプでキャビテーションが発生しないようにすることが必要である。また、少ない作動媒体の封入量であっても、凝縮器側の液量が不足し、ポンプのキャビテーションが発生することを防止する必要がある。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、発電システムにおいて低温の廃熱エネルギーを有効利用し、凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮液をポンプによりキャビテーションを起こすことなく安定に蒸気発生器に加圧送液することができる発電装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電装置は、排熱を回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置し、前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、前記冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器の途中部から該凝縮器に導くことを特徴とする。
【0009】
上述した本発明によれば、凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮液を過冷却器により更に2〜3℃程度低い過冷却状態に保持することができる。したがって、凝縮器や配管系に外乱により温度変動があるような場合でも、凝縮液が過冷却状態にあるので凝縮液の沸騰等の問題が起こらない。これにより、作動媒体を加圧して蒸発器に送液するポンプのキャビテーションを効果的に防止することができ、この安定した運転を確保できる。
また、前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器の途中部から該凝縮器に導くことにより、次のような効果が得られる。一般に、過冷却器は凝縮器に比して小さく、従って冷却媒体が多量で全量を過冷却器に通せない場合がある。このような時に、過冷却器と凝縮器に冷却配管を配置し、並列に接続し、過冷却器を通った冷却媒体を凝縮器の途中から直接凝縮器に導入した冷却媒体に合流させることができる。これにより、比較的大きな容量の凝縮器と小さな容量の過冷却器とをそれぞれバランスよく冷却し、過冷却器において凝縮液の過冷却状態を形成することができる。
【0010】
ここで、前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器に導くようにしてもよい。これにより、過冷却器にまず温度の低い冷却媒体が供給されるので、過冷却効果を出し、凝縮器よりも過冷却器を低温に保ち、過冷却凝縮液を形成することができる。
【0012】
また、本発明の他の態様は、排熱を回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において、前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置し、前記過冷却器に貯留した作動媒体の凝縮液の温度または圧力を検出するセンサを設け、該センサで検出された凝縮液の温度または圧力に基づいて、前記ポンプの流量を制御することを特徴とする。
これにより、蒸発器における排熱の回収量に見合った作動媒体の流量を、上記クローズドループを構成する各機器に安定に循環させることができる。従って、過冷却器からポンプの吸込側に安定した作動媒体の凝縮液の流れを形成することができ、これによりさらにキャビテーションを効果的に防止し、発電システムの安定した運転を確保することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照ながら説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
【0014】
図1は、本発明の発電装置の概要を示す。このクローズドシステムの発電装置は、いわゆるランキンサイクルを利用した発電装置であり、排熱などを回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器11と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機12に接続したタービン等の膨張機13と、前記膨張機を駆動した後の低圧蒸気を冷却媒体にて冷却して凝縮液を形成する凝縮器14と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器11に送り込む送液ポンプ15とを備えている。以下、膨張機にタービンを用いるとして説明する。
【0015】
ここで、作動媒体として、沸点が40℃前後のHFC123或いはトリフルオロエタノール(CF3CH2OH)等を用いている。これにより、比較的低温の200〜400℃程度の排ガス或いは100〜150℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギーをまず作動媒体の高圧蒸気に変換し、これにより膨張機13で発電機に直結したタービンを回転駆動し、発電を行うものである。
【0016】
この発電装置においては、凝縮器14と送液ポンプ15との間に過冷却器16を設けている。この発電装置では、送液ポンプ15で、作動媒体を蒸気発生器11に送り込む。作動媒体は蒸気発生器11で排熱源などの熱エネルギーを受け、沸騰蒸発し高圧蒸気となる。この蒸気は蒸気タービンなどの膨張機13に送り込まれ、ここで発電機12を回転させて発電をする。排出された低圧蒸気は凝縮器14にて、冷却水などの冷却媒体で冷却され、凝縮し、さらに過冷却器16で過冷却され、送液ポンプに吸引され、クローズドシステムを一巡する。
【0017】
凝縮器14には冷却媒体の冷却配管17を備え、タービンを駆動した後の蒸気を冷却することで凝縮液を生成する。過冷却器16は凝縮器14の下部に設けられた凝縮液を一時的に貯留する液溜めであり、内部に冷却媒体の配管17aを備えている。なお、冷却媒体(例えば冷却水)の配管17は、まず過冷却器16の内部に配管17aとして配置され、更に凝縮器14内部の配管17bに接続され、配管17cとしてその出口側から取り出されている。即ち、凝縮器14と過冷却器16とが同一の媒体(例えば冷却水)で冷却され、冷却媒体をまず過冷却器16に導き、次いで凝縮器14に導き、これにより過冷却器16において過冷却効果を出し、凝縮器14の内部よりも凝縮液を2〜3℃程度より低温化するようにしたものである。
【0018】
図2は、冷却媒体の配管の変形配置例を示す。一般に、過冷却器16は凝縮器14に比してその寸法が小さく容量が小さい。このため、冷却媒体が多量で全量を過冷却器16に通せないような場合には、入口側の配管17を過冷却器16と凝縮器14とに並列に導き(17d、17e)、過冷却器16の配管17dを通った後の冷却媒体を配管17fにより凝縮器14の配管17eの途中に接続する。これにより、過冷却器16を通った後の冷却媒体を、凝縮器14の途中から、凝縮器14内に初めから入った冷却媒体に合流させることができる。従って、容量の異なる凝縮器および過冷却器をバランスよく冷却し、過冷却器16において作動媒体の凝縮液を過冷却状態にすることができる
【0019】
また、この発電装置においては、図3に示すように過冷却器16にその凝縮液の液面位置を検出する液面センサ18とコントローラ19を備えることが好ましい。液面センサ18の出力信号はコントローラ19に入力され、液面位置が一定に確保されるようにポンプ15に速度制御信号が出力される。なお、凝縮液の液面位置が一定となるようにポンプ15のオン・オフ制御により、制御してもよい。
【0020】
これによりポンプの吸込側にかかる液面のヘッドを略一定に確保し、ポンプに安定した過冷却状態の凝縮液の供給が可能となる。従って、ポンプのキャビテーションをより確実に防止することができる。また、凝縮液の液溜めである過冷却器16において、その凝縮液の液面を一定位置に確保することで、作動媒体の凝縮液が過冷却器16で十分に熱交換され安定に過冷却状態を形成することができる。
【0021】
なお、過冷却器16において凝縮液の液面位置が一定になるようにポンプを制御するということは、蒸発器11における蒸発量に見合った液量の凝縮液が送液されることを意味する。即ち、過冷却器における凝縮液の液面位置を一定に保持することはクローズドループを構成する蒸発器11、膨張機13、凝縮器14等に略一定の流量の作動媒体を供給することを意味している。このことは、蒸発器11で回収する熱エネルギーに見合った量の凝縮液が送られていることであり、液面位置一定制御(流量一定制御)により、回収可能な熱エネルギーの量に見合った発電を安定して行うことができる。
【0022】
また、図4に示すように液面位置を検出する液面センサに代えて、凝縮器における作動媒体の凝縮温度(または凝縮圧力を検出、飽和温度に換算)を検出するセンサ、または過冷却器内部あるいは過冷却器出口の作動媒体温度を検出するセンサ20を設けてもよい。そして、該センサの信号を基に、ポンプの送液流量一定制御(回転数調節あるいは流量制御弁調節)をする。これにより、上述した液面位置一定制御と同様に、回収可能な熱エネルギー量に見合った凝縮液の送液量一定制御が行え、安定した送電動作と共に、ポンプのキャビテーション防止を効果的に行うことができる。なお、ポンプ15の吐出側から、過冷却器16に作動媒体を循環させる配管21を設け、作動媒体の循環を確保し、温度センサ20の検出を確実なものにすることができる。
【0023】
次に、凝縮液の過冷却による送液ポンプのキャビテーション防止効果について検討する。作動媒体の送液ポンプの必要押込みヘッドがHmmであり、装置として1.5×Hmmで運転しているとして、外部条件が変動して作動媒体の凝縮温度が38℃から、急に2℃程度低下した場合の作動媒体の種類による影響を考える。なお、Hは800mm程度として説明する。一般の発電設備のように作動媒体が水である場合、38℃の飽和圧力6.6kPaから36℃の飽和圧力5.9kPaになったとすると、凝縮圧力の低下は液柱換算で70mmであり、有効な押込みヘッドへの影響はほとんど無いと考えてよい。
【0024】
一方、作動媒体がたとえば、HFC123aである場合、38℃の飽和圧力145kPaから36℃の飽和圧力135kPaになったとすると、液比重が約1.4であり、凝縮圧力の低下は液柱換算で700mmあり、凝縮器14から送液ポンプ15への配管中にある38℃の媒体は一挙に沸騰することになり、ポンプ15は運転不能となる。
【0025】
凝縮液を2〜3℃程度過冷却してから、送液ポンプに導入することにしておくと、前述のような急変があっても、配管中で沸騰することはなく、キャビテーションに対しても液柱の確保ができる。また、過冷却器を先ず冷却し、次いでこの冷却媒体で凝縮器を冷却する構成にしておくと、より確実に過冷却度が確保される。
【0026】
蒸気発生器11では、熱源で作動媒体が加熱沸騰されるわけであるが、排熱を熱源とする装置では熱源温度変動があり、この熱源温度変動によって作動媒体の沸騰状態が変化し、気泡含有率が変動して、蒸気発生器に保有する作動媒体の量が大きく変化する。作動媒体の各機器における保有量が,運転中に変動し,また偏ると、たとえば、蒸気発生器側に作動媒体が行き過ぎると凝縮器側の液量が不足し、送液ポンプのキャビテーションが発生する。送液ポンプのキャビテーションをより確実に防止するため、ポンプにかかる液ヘッドを凝縮液の液面位置を確保し、また凝縮液流量を確保することで、作動媒体液が過冷却器で十分に熱交換する状態にすることができる。
【0027】
また、送液ポンプのキャビテーションをより確実に防止する他の方法として、作動媒体の過冷却度を一定に保持するようにしてもよい。即ち、凝縮器における作動媒体の凝縮温度あるいは凝縮圧力を検出し、圧力の場合は飽和温度に換算し、一方過冷却器内部あるいは過冷却器出口の作動媒体温度を検出して、作動媒体の過冷却度を算出する。そして、過冷却度を確保するように、送液ポンプの流量制御をする。
【0028】
ポンプの送液流量を多くしすぎると、過冷却器16の液面が低下し、伝熱面が蒸気部に露出し、凝縮液を過冷却させる伝熱面積が少なくなり、過冷却度が減少する。一方、ポンプの送液流量を少なくしすぎると、凝縮液を過冷却させる伝熱面積が多くなり、過冷却度が増大する。過冷却度を所定の値にすることで、凝縮器/過冷却器系統に保有する凝縮液を確保することができる。また、クローズドシステム内に封入する作動媒体量を調節しておくことで、蒸気発生器側の作動媒体の保有量も確保できることになり、作動媒体の循環量制御を過冷却度で調節することができる。なお、蒸気発生器の液面の異常低下時などには、流量を増大させることが必要である。
【0029】
過冷却器16と凝縮器14とは、同一缶胴内に収めることもでき、また凝縮器14の下部に凝縮液をためて、凝縮器14の一部を過冷却器16として動作させるようにしてもよい。
また、配管21には、オリフィスを設け凝縮液が一定流量流れるようにして、ポンプ15の空運転を防止できる。また、配管21に弁を設けて、必要に応じて凝縮液を循環させるようにしてもよい。
【0030】
また、膨張機13にこれをバイパスする配管23とバイパス弁24を設けることが好ましい。例えば蒸気発生器11で発生した高圧蒸気の圧力が高過ぎる場合には、安全のためにバイパス弁24により逃がすことができる。なお、発電機12を直結したタービンを備えた膨張機13は、図1に示す横置型でも、図4に示す縦置型でも、どちらでも用いることが可能である。
【0031】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【0032】
【発明の効果】
クローズドシステムの発電装置において、凝縮液で凝縮した凝縮液を過冷却してポンプに導入することで、ポンプのキャビテーションを効果的に防止することができる。そして比較的低温度の排熱等を利用したクローズドシステムの発電装置の安定した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の発電装置の概要を示す図である。
【図2】図1における冷却媒体配管の変形例を示す図である。
【図3】図1における発電装置でセンサとコントローラを備えた場合の構成例を示す図である。
【図4】本発明の他の実施形態の発電装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
11 蒸気発生器(蒸発器)
12 発電機
13 膨張機(タービン)
14 凝縮器
15 ポンプ(送液ポンプ)
16 過冷却器
17a,17b,17c,17d,17e,17f 冷却媒体配管
18 液面センサ
19 制御装置(コントローラ)
20 温度または圧力センサ
21 配管
23 配管
24 バイパス弁
Claims (3)
- 排熱を回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において、
前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置し、
前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、前記冷却媒体を先ず前記過冷却器と前記凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器の途中部から該凝縮器に導くことを特徴とする発電装置。 - 排熱を回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において、
前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置し、
前記過冷却器に貯留した作動媒体の凝縮液の温度または圧力を検出するセンサを設け、該センサで検出された凝縮液の温度または圧力に基づいて、前記ポンプの流量を制御することを特徴とする発電装置。 - 排熱を回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において、
前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置し、
前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、該冷却媒体を先ず前記過冷却器に導き、次いで前記凝縮器に導き、
前記発電装置の通常運転中に、前記過冷却器において、前記凝縮液をその沸点よりも2〜3℃過冷却にすることを特徴とする発電装置。
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