JP4311982B2

JP4311982B2 - 発電装置および発電方法

Info

Publication number: JP4311982B2
Application number: JP2003144586A
Authority: JP
Inventors: 修行井上; 毅一入江; 哲也遠藤; 知行内村; 弘之加藤; 淳金子; 幸夫村井; 良男三宅
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: JP2004346824A

Description

【０００１】
【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、特にタービン発電機の軸受等の潤滑および冷却に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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発電電力として回収することが試みられている。このような低温度の廃熱の回収は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズドシステムの発電装置として実現可能であり、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】
このような小規模な用途、すなわち発電出力が１０ｋＷ程度以下の設備などでは、設置スペースを小さく抑え、導入コストの回収期間を短縮する観点から、より高速・小型化したタービン発電機が求められている。特許文献２は、軸流式の多段蒸気タービンと同一軸に発電機を設けた蒸気タービン発電機を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１０５１４号公報
【特許文献２】
特表２００１−５２５５１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したクローズドシステムの発電装置におけるタービン発電機の軸受の潤滑は、通常潤滑油を用いて行っている。この潤滑油の循環系統には、潤滑油タンク、潤滑油の冷却器、潤滑油循環ポンプなどがあり、さらに潤滑油からの作動媒体の分離機構なども必要となってくる。タービン発電機の軸受は、クローズドシステムの発電装置においては、高圧部にも低圧部にも存在する。各軸受に供給した潤滑油は、低圧部に設けた潤滑油タンクに回収し、循環ポンプで加圧して各軸受に供給し、また潤滑油の循環系内では潤滑油の冷却を行い、軸受部で上昇した油温を低下させている。循環ポンプでは、低圧部（凝縮器の蒸気圧）から高圧部（蒸気発生器の出口側蒸気圧）の差圧以上に加圧する必要があり、高圧に耐えるポンプ構造とすることが必要であり、また大きな動力も必要となっている。
【０００６】
しかしながら、廃熱を有効に回収して発電を行う発電システムにおいては、できるだけ構造を簡素化して経済的なシステムとすることが要請され、また省エネルギー化を図る必要がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、タービン発電機周辺の潤滑油系統の簡素化および省エネルギー化を達成できる発電装置および発電方法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、排熱などの熱エネルギー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に接続した膨張機を駆動して発電するタービン発電機と、前記膨張機を駆動した後の蒸気を冷却媒体にて凝縮する凝縮器と、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、前記タービン発電機の軸受の潤滑に用いる潤滑油を貯留するタンクと、該タンクの底部に貯留した作動媒体を前記凝縮器に戻す配管と、前記タンクに貯留された潤滑油を被駆動液とし前記ポンプで加圧された作動媒体の凝縮液を高圧の駆動液とするエジェクタと、該エジェクタで混合加圧された作動媒体と潤滑油の混合液を前記軸受に供給する配管とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、エジェクタを用いて潤滑油と作動媒体の混合液を噴射して軸受を潤滑冷却することで、従来から一般に使用されている潤滑油の加圧ポンプを不要とすることができる。したがって、システム構成を簡素化・コンパクト化することができ、また、潤滑油の加圧ポンプに必要なエネルギーを不要とし、省エネルギー化を図ることができる。
【００１０】
ここで、前記タービン発電機の低圧側にある軸受の潤滑をエジェクタで昇圧後の混合液で行うことが好ましく、前記タービン発電機の高圧側にある軸受の潤滑をポンプで昇圧後の作動媒体で行うことが好ましい。
【００１１】
また、本発明の発電方法は、前記タービン発電機の軸受に、潤滑油と作動媒体の混合液を前記ポンプで加圧された作動媒体を駆動液としてエジェクタにより供給するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
【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。
【００１３】
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、廃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２２に接続したタービン（膨張機）を駆動するタービン発電機１３と、前記タービン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生成する凝縮器１４と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して前記蒸気発生器１１に送り込む送液ポンプ１５とを備えている。なお、この実施形態では、膨張機としてタービンを用いる例について説明するが、スクリュウ型の膨張機やスクロール型の膨張機などの他の形式の膨張機についても同様に適用が可能である。
【００１４】
ここで、作動媒体として、沸点が４０℃前後のＨＦＣ１２３あるいはトリフルオロエタノール（ＣＦ_３ＣＨ_２ＯＨ）等を用いている。これにより、比較的低温の２００〜４００℃程度の排ガスあるいは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、これによりタービン発電機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。
【００１５】
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。この蒸気はタービンと発電機が直結したタービン発電機１３に送り込まれ、ここで高圧蒸気の膨張によりタービンを駆動して発電機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、必要に応じてさらに過冷却器で過冷却され、送液ポンプ１５に吸引され、加圧送液され、クローズドシステムを一巡する。
【００１６】
このタービン発電機１３では、その主軸が軸受３５，３６，３７により支持されている。ここで、中央部の軸受３５は主軸受であり、タービン発電機の低圧側に配置されるが、最も負荷容量の大きな軸受である。そして、軸受３６，３７はタービン発電機の主軸の両端部に配置される補助軸受であり、いずれも振れ止めの防止のために設けられたものであり、負荷容量は小さい。しかしながら、補助軸受３６はタービン発電機（膨張機）における作動媒体の高圧蒸気中に配置され、高圧蒸気の流路とはラビリンスシールにより隔離されているが、作動媒体と軸受の潤滑媒体とが混合しやすい部分である。これに対して、補助軸受３７は主軸の発電機側の軸端部に配置され、低圧（常圧）部に配置されている。
【００１７】
この発電システムにおいては、エジェクタ１７を備え、ポンプ１５で加圧された作動媒体の凝縮液を駆動液とし、タンク１８に貯留された潤滑油を被駆動液とし、これらをエジェクタ１７により混合して低圧側の軸受３５，３７に噴射・供給している。ここにおいても、作動媒体は空気に比して密度が数桁大きいことから、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用することで効率的な冷却が可能になる。これにより、一般に軸受に潤滑油を供給する場合には潤滑油の供給ポンプが用いられているが、低圧側の軸受３５，３７にエジェクタを用いて潤滑油と作動媒体の混合液を噴射してこれを潤滑冷却することで、従来から一般に使用されている潤滑油の加圧ポンプを不要とすることができる。したがって、システム構成を簡素化・コンパクト化することができ、また、潤滑油の加圧ポンプに必要なエネルギーを不要とし、省エネルギー化を図ることができる。
【００１８】
エジェクタ１７は、ポンプ１５で加圧された作動媒体の凝縮液が高速で流れることで、タンク１８に貯留された潤滑油を吸い込み、高速の作動媒体中で潤滑油と混合し、作動媒体と潤滑油の混合液が高速で配管中を流れ、軸受３５，３７に供給される。エジェクタ１７を用いて潤滑油を作動媒体に混合することで、温度が低下するので、油冷却器も不要となる。また、エジェクタ１７は液体を加圧するものではないので、高圧の軸受３６には不向きであるが、低圧の軸受３５，３７ならば十分に潤滑媒体を供給して、潤滑・冷却することが可能である。そして、エジェクタ１７は可動部分が存在せず、また軸シールも不要であり、単にノズルとディフューザとから構成されているので、低コストで且つ高信頼性が得られる。
【００１９】
軸受３５，３７を潤滑・冷却した後の作動媒体と潤滑油の混合液はタンク１８に戻り、ここで作動媒体と潤滑油がその比重により分離される。すなわち、タンク１８においては比重が大きい作動媒体が下側に位置し、その上に比重の小さい潤滑油が位置し、二層の液体層に分離される。タンク１８の底部に位置する作動媒体は、配管１９ａを介して制御弁２０ａを開くことで凝縮器１４に戻される。そして、タンク１８内の潤滑油は再びエジェクタ１７により吸引されて軸受３５，３７の潤滑・冷却に用いられ、これにより潤滑油の循還系統が構成されている。なお、作動媒体には若干油分が溶け込んでおり、作動媒体で軸受を潤滑しても、潤滑油と同様な粘性が得られるという効果がある。
【００２０】
また、負荷が軽い軸受においては、作動媒体を直接その潤滑・冷却に用いることができる。したがって、作動媒体の送液ポンプ１５で加圧された吐出凝縮液を軸受３６に直接導入することで、高圧側に配置された軸受３６の潤滑・冷却を行うことができる。これにより、従来一般の高圧側の軸受には高圧のポンプを用いて潤滑油を加圧注入する必要があるが、作動媒体の送液ポンプ１５で加圧された凝縮液を用いることで、潤滑油の供給ポンプを不要とすることができる。なお、作動媒体は空気に比して密度が数桁大きいことから、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用することで効率的な冷却が可能になる。
【００２１】
この発電システムにおいては、発電機２２のステータ部の冷却に作動媒体を用いている。すなわち、送液ポンプ１５で加圧した作動媒体の凝縮液の一部を発電機２２の冷却ジャケット２２ａ（図２の符号３８参照）に導入し、発電機のステータ部を作動媒体により直接冷却する。冷却後の作動媒体は凝縮器１４に戻され、冷却媒体により冷却されて凝縮液に戻る。ここで、作動媒体の密度が空気に比して数桁大きいことから、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用して冷却することで、高密度に発熱するステータ部の効率的な冷却が可能になる。
【００２２】
タンク１８には、冷却装置１８ａを備え、軸受の潤滑で昇温した潤滑油を作動媒体により冷却するようにしてもよい。作動媒体は送液ポンプの吐出側から取り出しても良く、また発電機のステータの冷却に用いるものを兼用してもよい。潤滑油を冷却した作動媒体は凝縮器１４に戻され、再び冷却・凝縮されて凝縮液となり送液ポンプ１５により再びクローズドループを循環する。
【００２３】
なお、作動媒体を用いた冷却は、タービン発電機の発熱が大きなステータ部の冷却と、潤滑油の冷却器に並列に導いて並列に冷却を行ってもよいが、直列に導いて同一媒体で両者を冷却するようにしてもよい。
【００２４】
蒸発器１１には気液分離器１１ａが設けられ、該気液分離器１１ａから前記蒸発器の底部への配管に油溜まり部１１ｂを設け、該油溜まり部１１ｂからタンク１８へ弁２０ｂを有する配管１９ｂで接続している。これにより、作動媒体中に混入した潤滑油を蒸発器１１にて回収することができる。
【００２５】
なお、図２に示すように、エジェクタ１７の出口に作動媒体と潤滑油の分離器１７ｂを設けるようにしてもよい。分離器１７ｂは、エジェクタ１７で混合された液を、潤滑油（潤滑油成分が多い液）と作動媒体（作動媒体の多い液）とに分離する。そして、潤滑油（潤滑油成分が多い液）を軸受３５，３７の潤滑に用い、作動媒体（作動媒体の多い液）を発電機２２のステータ冷却ジャケット２２ａに導入し、この冷却に用いることができる。そして、冷却に使用された作動媒体は。凝縮器１４または作動媒体の送液ポンプ１５の吸込側に戻される。軸受の潤滑・冷却に使用された潤滑油（潤滑油成分が多い液）は、配管１９ｄによりタンク１８に戻される。
【００２６】
図３は、低温の廃熱エネルギーを有効に回収利用して発電するのに好適な、本発明の実施形態のガスタービン発電機の構成例を示す。このガスタービン発電機は、高圧蒸気を膨張させることによりタービン２１を回転駆動し、このタービンに直結した発電機２２を回転駆動することで、発電を行うものである。即ち、このタービン発電機は、軸流式のタービン２１とＤＣブラシレス発電機２２とを備え、このタービンロータ２３と発電機ロータ２４とが一体的に単一軸の主軸２５に固定されている。このタービン発電機は、縦置きであり、主軸２５の上部にタービンロータ２３が固定され、主軸２５の下部に発電機ロータ２４が固定されている。但し、このタービン発電機を横置きとして使用しても良いことは勿論である。
【００２７】
タービンロータ２３には、複数の動翼２７が軸方向に配列して固定され、その動翼２７の外側に複数の静翼２８を備えたタービンケーシング２９が配置されている。また、タービンケーシング２９の外側には外胴３１が設けられ、タービンケーシング２９と外胴３１の間をタービンを回転駆動した後の作動媒体の低圧蒸気が流れる流路３３ｂを構成している。タービンの吸込側には、吸込管３２が配置され、タービンの吸込側に接続した高圧蒸気からなる作動媒体のガス流路３３ａを構成している。すなわち、この吸込管３２は、タービンの外胴３１、または外胴に接続されるタービン吐出管３４の内部に収容され、タービン吸込管３２とタービン吐出管３４とが二重管構造をなしている。従って、二重管の内側のタービン吸込管３２からタービン２１に流入した作動媒体の高圧蒸気はタービンロータ２３を回転駆動し、低圧となった作動媒体の蒸気が二重管の外周部であるタービン吐出管３４の内部の流路３３ｂを通って流出する。
【００２８】
発電機ロータ２４は永久磁石をその円周面に沿って交互に配置した永久磁石型のロータにより構成され、発電機ロータ２４の周囲には僅かなクリアランスを介して発電機ステータ２６が配置されている。また、発電機ステータ２６の外周部には冷却ジャケット３８が設けられ、冷却液として作動媒体が供給され、発熱する発電機、特に発電機ステータ２６を効率的に冷却する。作動媒体を冷却液として用いることで、冷却効率が向上するのみならず、冷却水のようなスケールの付着という問題を防止できる。
【００２９】
この発電機２２は、ＤＣブラシレス型の交流発電機であり、その発電出力は発電機ステータ２６に設けられた巻線部から動力線４０を介して外部に取り出される。動力線４０はコネクタ４４を介して図示しない周波数変換器に接続され、交流発電機２２の発電出力は周波数変換器によって所定の周波数・電圧（例えば６０Ｈｚ・２００Ｖ）に変換され、負荷機器に電力が供給される。
【００３０】
発電機ロータ２４の反タービン側の主軸端部には回転速度を検出するセンサ４１が設けられ、主軸２５の回転速度が検出される。センサ４１の出力は信号線４２によりコネクタ４３を介して外部に伝達される。なお、タービン発電機の回転速度は、タービンに供給される作動媒体の高圧蒸気の供給量または供給圧力を調整することで調整することができる。すなわち、タービン発電機が安全に運転可能な許容回転速度以下の範囲において、発電量を増加させる場合は供給する作動媒体の高圧蒸気量を増加させ、発電量を減少させる場合は作動媒体の高圧蒸気量を低減することで発電量を制御することができる。このとき、回転速度センサ４１によって回転速度を検出しつつ、タービンへの高圧蒸気の供給量または供給圧力を電磁弁１６（図１参照）などでコントロールすることで上記調整が可能である。また、作動媒体の供給量は、作動媒体の送液ポンプ１５（図１参照）の速度を制御することによっても行うことができる。
【００３１】
主軸２５はタービン２１と発電機２２との間の略中央部で主軸受３５により支持されている。主軸受３５はアンギュラ玉軸受３５ａ，３５ｂを並列に配置して構成したものであり、タービンロータ２３と発電機ロータ２４とを含めた回転体全体の略重心位置に配置されている。そして、タービンロータ２３の反発電機側、すなわちタービン２１の高圧側の主軸端部には単列のアンギュラ玉軸受からなるタービン側補助軸受３６を備えている。また、発電機ロータ２４の反タービン側の主軸端部には、同様に単列のアンギュラ玉軸受からなる発電機側補助軸受３７が配置されている。
【００３２】
このように、このタービン発電機においては、主軸２５は中央の主軸受３５およびタービン側軸端部と発電機側軸端部とにそれぞれ設けられた補助軸受３６，３７によって支持されている。すなわち、このタービン発電機においては、主軸受３５を回転体全体の重心付近に配置し、これに軸受としての主たる負荷を分担させ、主軸の両端部に小径の補助軸受３６，３７を補助的に振止め用として配置したものである。したがって、高速大負荷の主軸受を１カ所のみとすることができ、振止め用の補助軸受は小型のものを採用することができる。このため、発電機の信頼性を確保しつつ、よりコンパクトに且つ低コストにこのタービン発電機を製造できる。また、タービン軸端部に設けられた補助軸受３６は、作動媒体の高圧蒸気流路３３ａの内周側に配置する必要があるが、これを作動媒体の凝縮液を用いて直接冷却することができる。
【００３３】
低圧側の軸受である主軸受３５および発電機側補助軸受３７には、潤滑・冷却のために潤滑油と作動媒体の混合液が供給される。エジェクタ１７（図１参照）から噴出された潤滑油と作動媒体の混合液は、潤滑油供給用配管４６ａ，４７ａを介して、低圧側の主軸受３５および補助軸受３７に並列に供給される。そして、これらの軸受を潤滑・冷却して、油回収用配管４６ｂ，４７ｂを介して潤滑油タンク１８（図１参照）に戻る。この際、必要に応じてタンク１８（図１参照）は、作動媒体を冷却媒体として冷却される。高圧側の補助軸受３６には、送液ポンプで加圧された作動媒体が配管４８を経て供給され、補助軸受３６の潤滑・冷却に用いられる。補助軸受３６を潤滑・冷却した作動媒体は、タービンを回転駆動する作動媒体に合流し、作動媒体の循環系に戻される。
【００３４】
このように、各軸受に供給された潤滑油と作動媒体は、タービンの作動媒体に混入し、更にその一部は発電機内部にも浸入するため、潤滑油と作動媒体を分離する油分離装置としてのタンク１８および気液分離器１１ａ（図１参照）が設けられている。分離された潤滑油はタンク１８から再びエジェクタ１７により軸受の潤滑に用いられ、分離された作動媒体は凝縮器１４（図１参照）に戻り、作動媒体の送液ポンプ１５（図１参照）により循環する。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の効果】
クローズドシステムの発電装置において、低圧側の軸受にエジェクタを用いて潤滑油と作動媒体の混合液を噴射してこれを潤滑・冷却することで、従来から一般に使用されている潤滑油の加圧ポンプを不要とすることができる。したがって、システム構成を簡素化・コンパクト化することができ、また、潤滑油の加圧ポンプに必要なエネルギーを不要とし、省エネルギー化を図ることができる。
【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の変形例の発電装置の要部を示す図である。
【図３】図１のタービン発電機の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１蒸気発生器（蒸発器）
１３タービン発電機
１４凝縮器
１５作動媒体の送液ポンプ
１６電磁弁
１７エジェクタ
１８潤滑油タンク
１８ａ冷却配管（装置）
１９配管
２０弁
２１タービン（膨張機）
２２ＤＣブラシレス発電機
２３タービンロータ
２４発電機ロータ
２５主軸
２６発電機ステータ
２７動翼
２８静翼
２９タービンケーシング
３１外胴
３２タービン吸込管
３３ガス流路
３４タービン吐出管
３５主軸受
３６タービン側補助軸受
３７発電機側補助軸受
３８冷却ジャケット
４０動力線
４１回転センサ
４２信号線
４３コネクタ
４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ潤滑油と作動媒体の混合液配管
４８作動媒体配管

Claims

排熱などの熱エネルギー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に接続した膨張機を駆動して発電するタービン発電機と、前記膨張機を駆動した後の蒸気を冷却媒体にて凝縮する凝縮器と、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、
前記タービン発電機の軸受の潤滑に用いる潤滑油を貯留するタンクと、該タンクの底部に貯留した作動媒体を前記凝縮器に戻す配管と、前記タンクに貯留された潤滑油を被駆動液とし前記ポンプで加圧された作動媒体の凝縮液を高圧の駆動液とするエジェクタと、該エジェクタで混合加圧された作動媒体と潤滑油の混合液を前記軸受に供給する配管とを備えたことを特徴とする発電装置。
前記タービン発電機の低圧側にある軸受の潤滑をエジェクタで昇圧後の混合液で行うことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記タービン発電機の高圧側にある軸受の潤滑を前記作動媒体のポンプからの吐出液で行うことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記蒸気発生器には気液分離器が設けられ、該気液分離器から前記蒸気発生器の底部への配管に油溜まり部を設け、該油溜まり部と前記タンクとを弁を有する配管で接続したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記膨張機がタービンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
蒸気発生器で排熱などの熱エネルギーを回収して作動媒体の高圧蒸気を生成し、タービン発電機で該高圧蒸気を膨張させることにより発電機に接続した膨張機を駆動して発電を行い、前記膨張機を駆動した後の蒸気を凝縮器にて冷却媒体により冷却して凝縮させ、この作動媒体の凝縮液をポンプにて前記蒸気発生器に送り込むクローズドシステムの発電方法において、
前記タービン発電機の軸受に、潤滑油と作動媒体の混合液を前記ポンプで加圧された作動媒体を駆動液としてエジェクタにより供給するようにしたことを特徴とする発電方法。
前記膨張機がタービンであることを特徴とする請求項６に記載の発電方法。