JP5799853B2 - バイナリ発電システム - Google Patents

Description

本発明は、バイナリ発電システムに関する。

従来、熱源によりアンモニア等の低沸点媒体を加熱して気化させ、気化により生じた低沸点媒体の蒸気によりタービンを回転させて発電を行うバイナリ発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２０３３７６号公報

バイナリ発電システムにおいては、工場において生じる排温水等の比較的低温の熱源により蒸気を発生させるため、得られる蒸気の圧力は制限される。そのため、発生した蒸気により効率的にタービンを回転させて発電出力を高めることが求められている。

従って、本発明は、発電出力をより向上できるバイナリ発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、低沸点媒体と水との混合物を媒体とし、該媒体が循環する媒体系統と、所定の熱源と前記媒体系統を循環する前記媒体との間で熱交換を行い、前記媒体を加熱する熱交換器と、前記熱源により加熱された前記媒体中の気体成分により回転されて発電を行うタービンと、前記タービンを回転させた気体成分を冷却し凝縮させる凝縮器と、を備えるバイナリ発電システムであって、前記媒体系統は、前記熱交換器の下流側に設けられ前記熱交換器において加熱された前記媒体を気体成分と液体成分とに分離するセパレータと、前記凝縮器で凝縮された凝縮媒体が流通する凝縮媒体流通ラインと、前記セパレータで分離された前記液体成分が流通する液体成分流通ラインと、前記液体成分流通ラインに設けられる液体移送ポンプと、前記液体移送ポンプから吐出された前記液体成分の流れにより、前記凝縮媒体を引き込むように設けられたエゼクタと、を備えることを特徴とするバイナリ発電システムに関する。

また、バイナリ発電システムは、前記低沸点媒体としてアンモニアを用いることが好ましい。

本発明のバイナリ発電システムによれば、発電出力をより向上させられる。

本発明の実施形態に係るバイナリ発電システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るバイナリ発電システム１の構成を示す図である。
本実施形態のバイナリ発電システム１は、低沸点媒体としてのアンモニアと水との混合物を媒体とする。そして、この媒体を、工場から排出される温排水等の比較的低温の熱源１００により加熱して気体成分であるアンモニアの蒸気を発生させ、この蒸気を利用して発電を行う。
このバイナリ発電システム１は、媒体が循環する媒体系統１０と、熱交換器２０と、タービン３０と、凝縮器４０と、を備える。

媒体系統１０は、媒体が流通するラインと、このラインに設けられるセパレータ１１、液体移送ポンプ１２及びエゼクタ１３と、を含んで構成される。媒体系統１０の詳細については、後述する。

熱交換器２０は、熱源１００と、媒体系統１０を循環する媒体と、の間で熱交換を行い、媒体を加熱する。
タービン３０は、熱交換器２０において加熱された媒体中の気体成分により回転されて、発電を行う。本実施形態では、タービン３０は、媒体中のアンモニアが気化されたアンモニアの蒸気により回転される。
凝縮器４０は、タービン３０の下流側に配置される。凝縮器４０は、タービン３０を回転させた気体成分であるアンモニアの蒸気を冷却水により冷却し凝縮させる。

媒体系統１０は、媒体が流通するラインとして、混合媒体流通ラインＬ１と、気体成分流通ラインＬ２と、液体成分流通ラインＬ３と、凝縮媒体流通ラインＬ４と、を備える。また、上述のように、媒体系統１０は、セパレータ１１と、液体移送ポンプ１２と、エゼクタ１３と、を備える。

混合媒体流通ラインＬ１は、アンモニアと水との混合媒体を流通させる。この混合媒体流通ラインＬ１には、熱交換器２０が配置される。混合媒体流通ラインＬ１の上流側は、後述するエゼクタ１３に接続され、混合媒体流通ラインＬ１の下流側は、セパレータ１１に接続される。

セパレータ１１は、熱交換器２０の下流側で、かつ、タービン３０の上流側に配置される。このセパレータ１１は、熱交換器２０において加熱された媒体を気体成分と液体成分とに分離する。より具体的には、セパレータ２１は、媒体を、気体であるアンモニア蒸気と液体である温水とに分離する。

気体成分流通ラインＬ２は、セパレータ１１とタービン３０とを接続する第１気体ラインＬ２１と、上流側がタービン３０に接続され下流側が凝縮器４０に至る第２気体ラインＬ２２と、を備える。
第１気体ラインＬ２１は、セパレータ１１で分離されたアンモニアの蒸気をタービン３０に供給する。第２気体ラインＬ２２は、タービン３０に供給されてタービン３０を回転させたアンモニアの蒸気を凝縮器４０に供給する。

液体成分流通ラインＬ３は、セパレータ１１で分離された温水を流通させる。この液体成分流通ラインＬ３の上流側はセパレータ１１に接続され、液体成分流通ラインＬ３の下流側は、後述するエゼクタ１３に接続される。

凝縮媒体流通ラインＬ４は、凝縮器４０で凝縮されて液体となったアンモニアを流通させる。この凝縮媒体流通ラインＬ４の上流側は、第２気体ラインＬ２２の下流側に接続される。凝縮媒体流通ラインＬ４の下流側は、後述するエゼクタ１３に接続される。

液体移送ポンプ１２は、液体成分流通ラインＬ３に配置される。この液体移送ポンプ１２は、液体成分流通ラインＬ３を流通する温水に所定の圧力を付加して温水を下流側に吐出させる。

エゼクタ１３は、導入口１３１と、導出口１３２と、吸込口１３３と、を備える。このエゼクタ１３の導入口１３１には、液体成分流通ラインＬ３の下流側が接続され、導出口１３２には、混合媒体流通ラインＬ１の上流側が接続される。また、エゼクタ１３の吸込口１３３には、凝縮媒体流通ラインＬ４の下流側が接続される。
エゼクタ１３は、液体移送ポンプ１２により加圧された状態で吐出されて液体成分流通ラインＬ３を流通する温水の流れにより、凝縮媒体流通ラインＬ４を流通する凝縮されたアンモニアを引き込み、両者を混合して混合媒体流通ラインＬ１に導出する。

本実施形態のバイナリ発電システム１は、次のように動作する。
まず、混合媒体流通ラインＬ１を流通する媒体が、熱交換器２０において、熱源１００から排出される排温水との熱交換によって加熱される。すると、媒体中のアンモニアの一部は蒸発して気体となる。

次いで、熱交換器２０において加熱された媒体は、気液２相の状態でセパレータ１１に送られる。セパレータ１１に送られた媒体は、気体成分であるアンモニアの蒸気と液体成分である温水とに分離される。セパレータ１１において分離されたアンモニアの蒸気は、第１気体ラインＬ２１（気体成分流通ラインＬ２）を通ってタービン３０に送られる。タービン３０に送られたアンモニアの蒸気は、タービン３０を回転させ、これにより発電が行われる。

タービン３０においてタービン３０を回転させたアンモニアの蒸気は、第２気体ラインＬ２２（気体成分流通ラインＬ２）を通して凝縮器４０に送られる。凝縮器４０に送られたアンモニアの蒸気は、冷却水との熱交換によって凝縮（冷却）されて液体のアンモニアとなる。この液体のアンモニアは、凝縮媒体流通ラインＬ４を通してエゼクタ１３に送られる。ここで、タービン３０の下流側では、アンモニアの蒸気が凝縮することで第２気体ラインＬ２２及び凝縮媒体流通ラインＬ４の内部の圧力は大きく低下する。これにより、タービン３０の入口側と出口側の圧力差が大きくなり、タービン３０を効率よく回転させられる。

一方、セパレータ１１において分離された温水は、液体移送ポンプ１２によって加圧されると共に、液体成分流通ラインＬ３を通してエゼクタ１３に送られる。

エゼクタ１３では、液体移送ポンプ１２により加圧されて液体成分流通ラインＬ３を流通する温水の流れにより、凝縮媒体流通ラインＬ４を流通する凝縮されたアンモニアが引き込まれる。これにより、液体成分流通ラインＬ３を流通する温水と凝縮したアンモニアとが混合され、混合媒体流通ラインＬ１を通して再度熱交換器２０に送られる。
媒体系統１０を循環する媒体は、こうした行程を繰り返すことによってタービン３０を連続的に稼働させ、発電を行う。

本実施形態に係るバイナリ発電システム１は、以下のような効果を奏する。
（１）液体成分流通ラインＬ３と凝縮媒体流通ラインＬ４との接続部分にエゼクタ１３を配置した。これにより、液体成分流通ラインＬ３を流通する温水の流れにより凝縮媒体流通ラインＬ４を流通する凝縮したアンモニアを引き込めるので、凝縮媒体流通ラインＬ４の圧力を更に低下させられる。よって、凝縮媒体流通ラインＬ４の圧力を低下させることで、タービン３０の入口側と出口側の圧力差をより大きくできるので、タービン３０をより効率的に回転させられ、発電出力を向上できる。

（２）エゼクタ１３を介して液体成分流通ラインＬ３と凝縮媒体流通ラインＬ４とを接続した。これにより、セパレータ１１で分離された温水を直接凝縮されたアンモニアに混合して再び熱交換器２０に供給できる。よって、温水が有する熱エネルギを効率よく媒体の予熱に利用できるので、媒体を余熱するための熱交換器２０を設けることなくバイナリ発電システム１を構成できる。

（３）低沸点媒体としてアンモニアを使用した。アンモニアは蒸発温度がきわめて低く（大気圧で−３３．３℃）、熱物性にも優れる。従って、高性能のバイナリ発電システム１を提供できる。また、アンモニアは、温暖化やオゾン層破壊の原因ともならないので、環境を破壊しない。更に、アンモニアは刺激臭があるので、漏洩の有無を容易に検知できる。

以上、本発明のバイナリ発電システムの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、工場の排温水を熱源１００として用いたが、これに限らない。即ち、地熱により生じる地熱温水を熱源として用いてもよい。

１ バイナリ発電システム
１０ 媒体系統
１１ セパレータ
１２液体移送ポンプ
１３ エゼクタ
２０ 熱交換器
３０ タービン
４０ 凝縮器
１００ 熱源
Ｌ１ 混合媒体流通ライン
Ｌ２ 気体成分流通ライン
Ｌ３ 液体成分流通ライン
Ｌ４ 凝縮媒体流通ライン

Claims (2)

1. 低沸点媒体と水との混合物を媒体とし、該媒体が循環する媒体系統と、
   所定の熱源と前記媒体系統を循環する前記媒体との間で熱交換を行い、前記媒体を加熱する熱交換器と、
   前記熱源により加熱された前記媒体中の気体成分により回転されて発電を行うタービンと、
   前記タービンを回転させた気体成分を冷却し凝縮させる凝縮器と、を備えるバイナリ発電システムであって、
   前記媒体系統は、
   前記熱交換器の下流側に設けられ前記熱交換器において加熱された前記媒体を気体成分と液体成分とに分離するセパレータと、
   前記凝縮器で凝縮された凝縮媒体が流通する凝縮媒体流通ラインと、
   前記セパレータで分離された前記液体成分が流通する液体成分流通ラインと、
   前記液体成分流通ラインに設けられる液体移送ポンプと、
   前記液体移送ポンプから吐出された前記液体成分の流れにより、前記凝縮媒体を引き込むように設けられたエゼクタと、を備えることを特徴とするバイナリ発電システム。
2. 前記低沸点媒体としてアンモニアを用いる請求項１に記載のバイナリ発電システム。

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