JP5960045B2 - Binary power generation system - Google Patents

Binary power generation system Download PDF

Info

Publication number
JP5960045B2
JP5960045B2 JP2012283916A JP2012283916A JP5960045B2 JP 5960045 B2 JP5960045 B2 JP 5960045B2 JP 2012283916 A JP2012283916 A JP 2012283916A JP 2012283916 A JP2012283916 A JP 2012283916A JP 5960045 B2 JP5960045 B2 JP 5960045B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
turbine
medium
power generation
generation system
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012283916A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014125990A (en
Inventor
亮 ▲高▼田
亮 ▲高▼田
紀人 香月
紀人 香月
福田 憲弘
憲弘 福田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2012283916A priority Critical patent/JP5960045B2/en
Publication of JP2014125990A publication Critical patent/JP2014125990A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5960045B2 publication Critical patent/JP5960045B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

本発明は地熱・排熱等の低温熱源によって、低沸点媒体と熱交換させて、その熱エネルギーを動力に変換するバイナリー発電システムに関し、特には、媒体として水を使用することで、安全性向上、低コスト化を図った、バイナリー発電システムに関するものである。   The present invention relates to a binary power generation system that converts heat energy into low power by using a low-temperature heat source such as geothermal / exhaust heat, and converts the heat energy into power, and in particular, improves the safety by using water as the medium. This is related to a binary power generation system that has achieved cost reduction.

近年、原発からの脱却への要望と、さらには、CO削減の要請から、自然エネルギーや工場排熱、エンジン冷却水等の低温熱源のエネルギーの利用がますます脚光を浴びつつある。 In recent years, the use of energy from low-temperature heat sources such as natural energy, factory exhaust heat, engine cooling water, etc. is getting more and more attention due to the demand for departure from the nuclear power plant and further the request for CO 2 reduction.

バイナリー発電方式は、他の方式の発電では利用できなかった低温領域の熱水(流体)での発電が可能となり、主に中低温域の流体の利用ができるのが特徴となっている。
バイナリー発電方式は、単体の流体を媒体として用いるものをランキンサイクルと称し、ORCは、蒸気やガスの熱で水より沸点の低い有機
(オーガニック)媒体を気化、その蒸気でタービンを駆動する発電方式である。
The binary power generation method is characterized by being able to generate power with low-temperature hot water (fluid) that could not be used with other types of power generation, and mainly using medium-low temperature fluid.
The binary power generation method uses a single fluid as a medium and is called the Rankine cycle. ORC vaporizes an organic medium having a boiling point lower than that of water due to the heat of steam or gas, and uses that steam to drive the turbine. It is.

バイナリー発電システム100は、例えば図6に示すように、中低温資源からの熱源を取り込んで低沸点有機媒体と熱交換する熱交換器11と、熱交換器11で低沸点有機媒体からの蒸気を取り込んで作動する蒸気タービン13と、蒸気タービン13に接続された発電機17と、蒸気タービン13で使用された蒸気を凝縮して水に戻す復水器14と、復水器14で得られた水を熱交換器11に低沸点有機媒体と共に、熱交換器11に送るポンプ18とを備えている。   For example, as shown in FIG. 6, the binary power generation system 100 includes a heat exchanger 11 that takes in a heat source from a medium-low temperature resource and exchanges heat with a low-boiling organic medium, and heat from the low-boiling organic medium using the heat exchanger 11. The steam turbine 13 that operates by taking in, the generator 17 connected to the steam turbine 13, the condenser 14 that condenses the steam used in the steam turbine 13 and returns it to water, and the condenser 14. A pump 18 for sending water to the heat exchanger 11 together with the low boiling point organic medium is provided.

かかるバイナリー発電システム100の温度−エントロピー(T−S)線図は、図7のように示すことができる。図6中の丸囲み数字は、図7に示す状態図の各ポイント位置を示すものである。なお、図6中の丸囲み数字1−9は、明細書中では、それぞれ1−9として記載する。
このT−S線図によれば、状態1から状態2において、低沸点有機媒体は、状態1で飽和液としてポンプ18に入る。ポンプ18から熱交換器11入口まで断熱圧縮であり、低沸点有機媒体は温度が微増する。
状態2から状態3において、低沸点有機媒体は、熱交換器11において、中低温資源からの熱源との熱交換により定圧加熱される。これにより、低沸点有機媒体が沸騰して蒸気が取り出される。
状態3から状態4において、蒸気は断熱膨張し、状態4から状態5では、蒸気タービン13において蒸気が断熱膨張しながら仕事をして温度が下降し、復水器14にもたらされる。
そして状態5から状態1’において、温度下降した蒸気は、復水器14で送風機14aにより凝縮して飽和液となってポンプ18に送り込まれる。
以上のように、バイナリー発電システム100は、低温領域の熱水(流体)での発電が可能となり、主に低・中低温域の流体の利用ができることがわかる。
A temperature-entropy (TS) diagram of such a binary power generation system 100 can be shown as in FIG. The circled numbers in FIG. 6 indicate the position of each point in the state diagram shown in FIG. In addition, the encircled numerals 1-9 in FIG. 6 are described as 1-9 in the specification.
According to the TS diagram, in the state 1 to the state 2, the low boiling point organic medium enters the pump 18 as a saturated liquid in the state 1. Adiabatic compression is performed from the pump 18 to the inlet of the heat exchanger 11, and the temperature of the low-boiling organic medium slightly increases.
In the state 2 to the state 3, the low boiling point organic medium is heated at a constant pressure in the heat exchanger 11 by heat exchange with a heat source from a medium / low temperature resource. As a result, the low boiling point organic medium boils and vapor is extracted.
In the state 3 to the state 4, the steam is adiabatically expanded, and in the state 4 to the state 5, the steam is adiabatically expanded in the steam turbine 13, and the temperature is lowered to be brought to the condenser 14.
Then, in the state 1 from the state 5, the steam whose temperature has decreased is condensed by the blower 14 a in the condenser 14 and is sent to the pump 18 as a saturated liquid.
As described above, it can be understood that the binary power generation system 100 can generate power with hot water (fluid) in a low temperature region, and can mainly use fluids in a low / medium / low temperature region.

ところで、従来、バイナリー発電装置の中には、例えば特許文献1で開示されるように、熱水に含まれる蒸気と熱水とに分離する手段として回転分離式二相流タービンを利用して蒸気と熱水とに分離し、熱水を昇圧して直接熱交換器に供給し、低沸点媒体と直接接触させて熱交換して低沸点媒体の蒸気を発生させ、この蒸気によってタービンを駆動して発電するようにしている。   By the way, conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1, some binary power generators use a rotary separation type two-phase flow turbine as means for separating steam contained in hot water and hot water. The hot water is boosted and supplied directly to the heat exchanger, and is brought into direct contact with the low boiling point medium to exchange heat to generate steam of the low boiling point medium, which drives the turbine. Power generation.

また、特許文献2では、地熱井の坑底に坑底ポンプを設けるとともに、地表に回転分離器を有する二相流タービンを設置し、坑底ポンプにより地上に輸送された地熱水を回転分離式二相流タービンの回転分離器に導入して回転分離器を回転させるとともに、蒸気と熱水とに分離し、かつ回転分離器の動力を利用して坑底ポンプを駆動するようにしたことが記載されている。   Moreover, in patent document 2, while providing a bottom pump in the bottom of a geothermal well, installing the two-phase flow turbine which has a rotation separator on the ground surface, and rotating and separating the geothermal water conveyed to the ground by the bottom pump Introduced into the rotary separator of a two-phase flow turbine and rotated the rotary separator, separated into steam and hot water, and driven the bottom pump using the power of the rotary separator Is described.

特公平1−47601号公報Japanese Examined Patent Publication No. 1-47461 特公平2−43915号公報Japanese Examined Patent Publication No. 2-43915

しかしながら、上記特許文献1のものでは、二相流タービンを使用し、低沸点媒体としてイソブタン、ブタン等、親水性のない特性を有するものが記載されているに過ぎない。
また、特許文献2のものでは、二相流タービンを使用しているものの、熱交換後の二相流と蒸気タービンの組み合わせのものではなく、媒体として水を使用することも想定されていない。
ORCに代表されるバイナリー発電を行う際、熱交換器で上昇させることが可能なタービン入口温度が低くなるため(熱落差が小さい)ため、サイクル効率が低い。また、低沸点有機媒体を使用するため、取り扱いが難しく、安全性他の確保のため高コスト、環境のリスクが大きい。水を媒体に使用した場合、効率が悪い。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、有機媒体の代わりに水を媒体として用いることにより、サイクル効率を高めるようにした、バイナリー発電システムを提供することを目的とする。
However, the thing of the said patent document 1 uses only a two-phase flow turbine, and has what has a property without a hydrophilic property, such as isobutane and butane, as a low boiling-point medium.
Moreover, although the thing of patent document 2 uses the two-phase flow turbine, it is not a thing of the combination of the two-phase flow after heat exchange and a steam turbine, and it is not assumed using water as a medium.
When performing binary power generation typified by ORC, the turbine inlet temperature that can be raised by the heat exchanger becomes low (the heat drop is small), so the cycle efficiency is low. In addition, since a low-boiling organic medium is used, handling is difficult, and safety and other costs are high, and environmental risks are high. When water is used as a medium, the efficiency is poor.
The present invention has been proposed from the above background, and it is an object of the present invention to provide a binary power generation system that improves cycle efficiency by using water as a medium instead of an organic medium. .

上記課題を解決するために、請求項1にかかる発明では、50°〜300℃の低温熱源と、媒体とを熱交換する熱交換器と、熱交換器にて熱交換された前記媒体が供給され、動力を取得する二相流タービンと、前記二相流タービンによって駆動される発電機と、前記二相流タービンから流出した前記媒体を気液分離するセパレータと、セパレータから、前記媒体を気液分離して得られた蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービンと、蒸気タービンによって駆動される発電機と、蒸気タービンからの蒸気を凝縮する復水器と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, in the invention according to claim 1, a low-temperature heat source of 50 ° to 300 ° C., a heat exchanger that exchanges heat with the medium, and the medium that is heat-exchanged by the heat exchanger are supplied. is, gas and two-phase flow turbine for obtaining power, a generator driven by the two-phase flow turbine, a separator for gas-liquid separating the medium flowing out from the two-phase flow turbine, from the separator, said medium by supplying steam obtained by liquid separation, and a steam turbine for obtaining power, a generator to the steam turbine Thus driven, the condenser for condensing the steam from the steam turbine, further comprising a Features.

ここで、50℃〜300℃の低温熱源としたのは、低沸点媒体として例えばペンタン(沸点:36度)を始めとして、イソブタン(C10、沸点−11.7℃)、アンモニア(沸点:−33℃)と水の混合流体、あるいは代替えフロン(沸点:34℃)を用いた場合でも、熱交換によって、低沸点媒体を十分に沸騰させることができるからである。
このように、セパレータにて気液二相流媒体を蒸気と熱水とに気液分離し蒸気タービンにて発電機を駆動させることで、これまで発電に利用が困難であった低中温度の熱源を発電に利用が可能となることがわかる。
Here, the low temperature heat source of 50 ° C. to 300 ° C. includes, for example, pentane (boiling point: 36 ° C.), isobutane (C 4 H 10 , boiling point −11.7 ° C.), ammonia (boiling point) as a low boiling point medium. This is because the low boiling point medium can be sufficiently boiled by heat exchange even when a mixed fluid of -33 ° C.) and water or an alternative chlorofluorocarbon (boiling point: 34 ° C.) is used.
In this way, the gas-liquid two-phase flow medium is separated into steam and hot water by the separator, and the generator is driven by the steam turbine. It turns out that the heat source can be used for power generation.

これにより、熱交換出口が飽和蒸気でなく、飽和水でよくなるため、大きな熱落差が得られ、サイクル全体としては効率が向上する。安全性、環境性、取扱い易さという点で有利であり、プラント全体の低コスト化、安全性が向上する。   Thereby, since the heat exchange outlet may be saturated water instead of saturated steam, a large heat drop is obtained, and the efficiency of the entire cycle is improved. This is advantageous in terms of safety, environmental friendliness, and ease of handling, and the cost and safety of the whole plant are improved.

また、請求項2にかかる発明では、媒体は水であることを特徴とする。 In the invention according to claim 2, medium is characterized by a Mizudea Turkey.

これにより、熱交換出口が飽和水でよく、二相流タービンでのタービン効率が低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。しかも、媒体が水であるから、プラント全体のコスト抑制、安全性も向上する。   Thereby, although a heat exchange exit may be saturated water and the turbine efficiency in a two-phase flow turbine falls, efficiency improves as a whole cycle. Moreover, since the medium is water, cost reduction and safety of the entire plant are improved.

また、請求項3にかかる発明では、媒体は低沸点有機媒体であることを特徴とする。   In the invention according to claim 3, the medium is a low-boiling organic medium.

媒体に低沸点有機媒体を用いることにより、システム効率は低下するが、二相流タービンの出力が全体の15パーセントであり、ペンタンを用いた、ORCと比較すれば同等の出力が得られる。
熱交換器では、液−液の状態で熱交換が可能であるため、従来ORCの気−液熱交換より作動流体比体積が小さく、熱交換器を小型化できる分、コストを抑えることができる。
By using a low-boiling organic medium as the medium, the system efficiency is reduced, but the output of the two-phase turbine is 15% of the total, and an equivalent output can be obtained as compared with ORC using pentane.
Since heat exchange is possible in a liquid-liquid state in the heat exchanger, the working fluid specific volume is smaller than that of the conventional ORC gas-liquid heat exchange, and the cost can be reduced because the heat exchanger can be downsized. .

また、請求項4にかかる発明では、媒体は代替えフロンであることを特徴とする。 In the invention according to claim 4, medium is characterized by the alternative flon der Turkey.

これにより、プラントの安全性は確保される。二相流タービンでのタービン効率が低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。   Thereby, the safety of the plant is ensured. Although the turbine efficiency in the two-phase flow turbine is reduced, the efficiency is improved as a whole cycle.

また、請求項5にかかる発明では、二相流タービンは、衝動式タービンである、ことを特徴とする。   The invention according to claim 5 is characterized in that the two-phase flow turbine is an impulse turbine.

これにより、低沸点有機媒体を使用時には、条件次第でノズル出口を渇き度100%で出すことが可能であり、タービン効率の向上が期待できる。   As a result, when using a low-boiling organic medium, the nozzle outlet can be brought out with a degree of thirst of 100% depending on conditions, and improvement in turbine efficiency can be expected.

さらに、請求項6に記載の発明では、二相流タービンは、容積型タービンである、ことを特徴とする。   Further, the invention according to claim 6 is characterized in that the two-phase flow turbine is a positive displacement turbine.

これにより、スクリューは渇き度に対してロバスト性があり、信頼性向上が期待できる。   As a result, the screw has robustness with respect to the degree of thirst, and an improvement in reliability can be expected.

本発明によれば、システム全体効率が向上し、且つ、水を媒体として使用することにより安全性が向上し、設備コストの抑制が可能となる。   According to the present invention, the efficiency of the entire system is improved, and safety is improved by using water as a medium, and the equipment cost can be suppressed.

本発明によるバイナリー発電システムの第1実施形態を示す全体系統説明図である。1 is an overall system explanatory diagram showing a first embodiment of a binary power generation system according to the present invention. 図1に示すバイナリー発電システムのT−S線図である。It is a TS diagram of the binary power generation system shown in FIG. 図1に示すバイナリー発電システムにおいて、低沸点有機媒体にペンタンを用いた場合の、熱源温度とサイクル効率の関係を示すグラフである。2 is a graph showing the relationship between the heat source temperature and cycle efficiency when pentane is used as the low boiling point organic medium in the binary power generation system shown in FIG. 1. イナリー発電システムの参考例を示す全体系統説明図である。It is an overall system diagram showing a reference example of binaries power generation system. 本発明によるバイナリー発電システムの第実施形態において用いられる蒸気タービンの一例を示す斜視説明図である。It is a perspective explanatory view showing an example of a steam turbine used in a first embodiment of a binary power generation system according to the present invention. 従来におけるバイナリー発電システムの一例を示した、概略系統図である。It is a schematic system diagram showing an example of a conventional binary power generation system. 図6に示すバイナリー発電システムのT−S線図である。FIG. 7 is a TS diagram of the binary power generation system shown in FIG. 6.

以下、本発明にかかるバイナリー発電システムの実施形態を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。   Embodiments of a binary power generation system according to the present invention will be described below and described with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
図1に、第1実施形態にかかるバイナリー発電システム10を示す。
このバイナリー発電システム10は、50°〜300℃の低温熱源と媒体とを熱交換する熱交換器11を備えている。
また、バイナリー発電システム10は、熱交換器11からの媒体の気液二相流媒体を蒸気と熱水とに気液分離するセパレータ12を備えている。
さらに、バイナリー発電システム10は、セパレータ12から、気液分離後の蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービン13と、蒸気タービン13からの蒸気を凝縮する復水器14と、を備えている。
そして、熱交換器11とセパレータ12との間には、熱交換後の媒体の気液二相流媒体を供給して動力を取得する二相流タービン15を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a binary power generation system 10 according to the first embodiment.
The binary power generation system 10 includes a heat exchanger 11 that exchanges heat between a low-temperature heat source of 50 ° C. to 300 ° C. and a medium.
The binary power generation system 10 includes a separator 12 that gas-liquid separates the gas-liquid two-phase flow medium of the medium from the heat exchanger 11 into steam and hot water.
Further, the binary power generation system 10 includes a steam turbine 13 that supplies steam after gas-liquid separation from the separator 12 to acquire power, and a condenser 14 that condenses the steam from the steam turbine 13. Yes.
And between the heat exchanger 11 and the separator 12, the two-phase flow turbine 15 which supplies the gas-liquid two-phase flow medium of the medium after heat exchange, and acquires motive power is provided.

このバイナリー発電システム10では、媒体として、水を用いている。
地熱における熱源は、略220℃で、熱交換器11において媒体としての水は、熱交換によって熱交換器11の出口から190℃前後の飽和水として取り出され、後述の二相流タービン15に供給されるようになっている。
In this binary power generation system 10, water is used as a medium.
The heat source for geothermal heat is approximately 220 ° C., and water as a medium in the heat exchanger 11 is taken out as saturated water at around 190 ° C. from the outlet of the heat exchanger 11 by heat exchange and supplied to a two-phase turbine 15 described later. It has come to be.

二相流タービン15は、図示は省略するが周知の軸流タービンが可能である。
前述の190℃程の飽和水が通流することで回転して回転軸につながる発電機16が回されて電力を取り出すようになっている。
The two-phase turbine 15 can be a known axial turbine although not shown.
When the saturated water of about 190 ° C. flows, the generator 16 connected to the rotating shaft is rotated to take out electric power.

次に二相流タービン15の出口側につながる密封型のセパレータ12は、二相流タービン15からの飽和水を含む気体と熱水の二相流から、蒸気と熱水とを分離するもので、密封された筐体12bを備える。すなわち、筐体12bの上部から蒸気が分離され、筐体の底部から熱水を取り出して分離するようになっている。   Next, the sealed separator 12 connected to the outlet side of the two-phase flow turbine 15 separates steam and hot water from the two-phase flow of gas and hot water containing saturated water from the two-phase flow turbine 15. And a sealed housing 12b. That is, steam is separated from the top of the housing 12b, and hot water is taken out from the bottom of the housing and separated.

さらに、セパレータ12の下流側の蒸気タービン13は、セパレータ12で分離された蒸気で回転して、蒸気タービン13の回転軸につながる発電機17が回されて電力を取り出すようになっている。   Furthermore, the steam turbine 13 on the downstream side of the separator 12 is rotated by the steam separated by the separator 12, and the generator 17 connected to the rotating shaft of the steam turbine 13 is rotated to take out electric power.

そして復水器14は、空冷式のもので、蒸気タービン13を通過した蒸気を送風機14aにより凝縮して、飽和液となって下流側の第1ポンプ18に送り込まれるようになっている。   The condenser 14 is an air-cooled type, and the steam that has passed through the steam turbine 13 is condensed by the blower 14a to be sent as a saturated liquid to the first pump 18 on the downstream side.

第1ポンプ18の下流側は、前述のセパレータ12において分離された熱水と合流するようになっており、熱交換器11へ圧力を高めた飽和液として送り込むための第2ポンプ19に送り込まれる構成である。   The downstream side of the first pump 18 merges with the hot water separated in the separator 12 described above, and is sent to the second pump 19 for sending it to the heat exchanger 11 as a saturated liquid with increased pressure. It is a configuration.

第1実施形態にかかるバイナリー発電システム10は以上のように構成されるものであり、次に、図2に示す温度−エントロピー(T−S)線図に基づいて動作を説明する。
媒体としての水は、状態1において、復水器14から出力された復水を第1ポンプ18により、状態2’でセパレータ12から分離された熱水と等圧になるまで昇圧されると共に混合され(状態2)、状態3で、第2ポンプ19により熱交換器11へ送り込まれる。
復水器14からの復水は第1ポンプ18により昇圧されて温度は微増し、セパレータ12から分離された熱水と混合することで温度は上昇する。
状態4から状態5にかけて、熱交換器11において、地熱における略200℃程の熱源とで、媒体としての水は、熱交換によって昇温して190℃程の飽和水として取り出され、状態6で二相流タービン15に送り込まれる。
The binary power generation system 10 according to the first embodiment is configured as described above. Next, the operation will be described based on the temperature-entropy (TS) diagram shown in FIG.
In the state 1, the water as the medium is pressurized and mixed by the first pump 18 until the condensate output from the condenser 14 becomes equal in pressure to the hot water separated from the separator 12 in the state 2 ′. (State 2), and in state 3, it is fed into the heat exchanger 11 by the second pump 19.
The condensate from the condenser 14 is pressurized by the first pump 18 to slightly increase the temperature, and the temperature rises by mixing with the hot water separated from the separator 12.
From state 4 to state 5, in the heat exchanger 11, with the heat source of about 200 ° C. in geothermal heat, the water as the medium is heated up by heat exchange and taken out as saturated water at about 190 ° C. It is fed into the two-phase flow turbine 15.

二相流タービン15では、上記飽和水が通流することでタービン軸が回転してタービン軸につながる発電機16が回されて電力を取り出すことができる。
この二相流タービン15を通過するとき、190℃の飽和水は、状態6から状態7に向かって断熱膨張しながら仕事をして温度が下降し、150℃程の飽和水としてセパレータ12に送り込まれる。
In the two-phase flow turbine 15, when the saturated water flows, the turbine shaft rotates and the generator 16 connected to the turbine shaft is rotated to extract electric power.
When passing through this two-phase flow turbine 15, the saturated water at 190 ° C. works while adiabatically expanding from state 6 to state 7, the temperature drops, and is fed into the separator 12 as saturated water at about 150 ° C. It is.

次にセパレータ12では、二相流タービン15からの気体と熱水との二相流から、蒸気と熱水とを分離して、密封された筐体12bの上部から蒸気が分離され、筐体12bの底部から熱水が分離される。   Next, in the separator 12, the steam and the hot water are separated from the two-phase flow of the gas and the hot water from the two-phase flow turbine 15, and the steam is separated from the upper part of the sealed casing 12b. Hot water is separated from the bottom of 12b.

セパレータ12から取り出された蒸気は、状態8.の蒸気タービン13においてタービン軸を回転することで、タービン軸につながる発電機17が回されて電力を取り出すことができる。
この蒸気タービン13を通過するとき、状態8から状態9にかけて蒸気は断熱膨張しながら再度仕事をして温度が下降し、復水器14へと送り込まれる。
The steam taken out from the separator 12 is in the state 8. By rotating the turbine shaft in the steam turbine 13, the generator 17 connected to the turbine shaft is rotated and electric power can be taken out.
When passing through the steam turbine 13, in the state 8 to the state 9, the steam works again while adiabatically expanding, the temperature is lowered, and is sent to the condenser 14.

そして、復水器14で送風機14aにより、蒸気は凝縮され、飽和水として第1ポンプ18により、セパレータ12から分離された熱水と等圧になるまで昇圧されると共に混合され、第1ポンプ19により再度熱交換器11へ送り込まれる。このようにランキンサイクルとしての動作が実行される。   Then, the steam is condensed in the condenser 14 by the blower 14a, and it is pressurized and mixed as saturated water by the first pump 18 until it becomes the same pressure as the hot water separated from the separator 12, and the first pump 19 is mixed. Is sent to the heat exchanger 11 again. In this way, the operation as a Rankine cycle is executed.

以上のように、第1実施形態にかかるバイナリー発電システム10によれば、媒体として水を使用したことにより、熱交換器11の出口が飽和蒸気でなく、飽和水で足りるため、地熱における熱源が略220℃であっても、十分大きな熱落差が得られ、サイクル全体としては効率が向上する(図3参照)。
このように、媒体として水を使用することは、安全性、環境性、取扱い易さという点で有利であり、プラント全体の低コスト化、安全性の向上につながる。
As described above, according to the binary power generation system 10 according to the first embodiment, since water is used as a medium, the outlet of the heat exchanger 11 is not saturated steam but saturated water. Even at about 220 ° C., a sufficiently large heat drop is obtained, and the efficiency of the entire cycle is improved (see FIG. 3).
Thus, the use of water as a medium is advantageous in terms of safety, environmental friendliness, and ease of handling, leading to cost reduction of the entire plant and improvement of safety.

本発明は、第2実施形態にかかるバイナリー発電システム10によっても実施することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態にかかるバイナリー発電システム10においては、システム構成自体は第1実施形態と同一であるので図示は省略し、相違点のみを説明する。
すなわち、第2実施形態にかかるバイナリー発電システム10では、媒体として、水の代わりにペンタン(沸点:36度)などの有機媒体や環境負荷の高い代替えフロン(沸点:34℃)を使用することもできる。さらには、媒体としては、イソブタン(C4H10、沸点−11.7℃)、アンモニア(沸点:−33℃)と水の混合流体も可能である。
The present invention can also be implemented by the binary power generation system 10 according to the second embodiment.
(Second Embodiment)
In the binary power generation system 10 according to the second embodiment, since the system configuration itself is the same as that of the first embodiment, illustration is omitted, and only differences will be described.
That is, in the binary power generation system 10 according to the second embodiment, instead of water, an organic medium such as pentane (boiling point: 36 degrees) or an alternative chlorofluorocarbon (boiling point: 34 ° C.) with a high environmental load may be used as the medium. it can. Further, as the medium, a mixed fluid of isobutane (C4H10, boiling point-11.7 ° C.), ammonia (boiling point: −33 ° C.) and water is also possible.

以上のような第2実施形態にかかるバイナリー発電システム10によれば、熱交換器11の出口が飽和蒸気でなく、飽和水で足りるため、地熱における熱源が略220℃であっても、十分大きな熱落差が得られ、二相流タービン15でのタービン効率が約20%程低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。   According to the binary power generation system 10 according to the second embodiment as described above, since the outlet of the heat exchanger 11 is not saturated steam but saturated water, it is sufficient even if the heat source in geothermal heat is approximately 220 ° C. Although a heat drop is obtained and the turbine efficiency in the two-phase flow turbine 15 is reduced by about 20%, the efficiency of the entire cycle is improved.

(参考例)
図4に参考例にかかるバイナリー発電システム10を示す。
参考例では、媒体としてペンタンなどの低沸点有機媒体を用いている。
ここでのバイナリー発電システム10は、第1、第2実施形態のシステムと異なり、二相流タービン15を除いている。その他の構成は、第1、第2実施形態のシステムと同一であるので、説明は省略する。
(Reference example)
FIG. 4 shows a binary power generation system 10 according to a reference example .
In the reference example , a low boiling point organic medium such as pentane is used as the medium.
Unlike the systems of the first and second embodiments, the binary power generation system 10 here excludes the two-phase flow turbine 15. Since other configurations are the same as those of the system according to the first and second embodiments, description thereof will be omitted.

このような参考例にかかるバイナリー発電システム10によれば、システム効率は低下するが、ペンタンなどの低沸点有機媒体では、第1実施形態の二相流タービン15における出力が全体の15%程度と小さいため、ペンタンORCと比較すれば、同等の出力が得られる。
熱交換器11では液−液の状態で熱交換可能であるため、従来ORCの気−液熱交換により、作動流体比体積が小さく、熱交換器が小さくなる分、熱交換器にかかるコストを抑制することができる。
According to the binary power generation system 10 according to such a reference example , the system efficiency is reduced, but in the low boiling point organic medium such as pentane, the output in the two-phase flow turbine 15 of the first embodiment is about 15% of the whole. Since it is small, an equivalent output can be obtained when compared with pentane ORC.
Since heat exchange is possible in the liquid-liquid state in the heat exchanger 11, the working fluid specific volume is small and the heat exchanger becomes smaller by the gas-liquid heat exchange of the conventional ORC. Can be suppressed.

以上、本発明について第1〜第実施形態を挙げ、説明した。
第1実施形態にかかるバイナリー発電システム10に用いられる二相流タービン15は、図5に示すように、衝動式タービンを用いることができる。
この場合、二相流タービン15は、タービン軸20とロータ21とノズル22を備えている。ロータ21の外周面には、等間隔に動翼23が突設されている。また、ノズル22は、熱水が動翼23に向かって噴出されるように配置される。この場合ノズル22は、先端噴出口22aが角型に開口し、センタ側に向かって拡開する形状としている。
The present invention has been described with reference to the first and second embodiments.
As the two-phase flow turbine 15 used in the binary power generation system 10 according to the first embodiment, an impulse turbine can be used as shown in FIG.
In this case, the two-phase flow turbine 15 includes a turbine shaft 20, a rotor 21, and a nozzle 22. On the outer peripheral surface of the rotor 21, the moving blades 23 project at equal intervals. The nozzle 22 is arranged so that hot water is ejected toward the moving blade 23. In this case, the nozzle 22 has a shape in which the front end jet port 22a is opened in a square shape and expands toward the center side.

なお、二相流タービン15は、衝動式タービンの他、容積型のタービン(図示省略)も可能である。   The two-phase flow turbine 15 may be a positive displacement turbine (not shown) in addition to the impulse turbine.

以上のような衝動式タービンの二相流タービン15を用いると、媒体として、低沸点有機媒体を使用するときは、条件次第でノズル出口を渇き度100%で出すことが可能であり、タービン効率の向上が期待できる。   When the two-phase flow turbine 15 of the impulse turbine as described above is used, when a low-boiling organic medium is used as the medium, the nozzle outlet can be brought out with a degree of thirst of 100% depending on the conditions. Improvement can be expected.

一方、衝動式タービンの二相流タービン15に容積型のタービンを用いると、スクリューは乾き度に対して効率がロバストな特性があり、エロージョン等にも強く、信頼性向上が期待できる。   On the other hand, when a positive displacement turbine is used as the two-phase flow turbine 15 of the impulse turbine, the screw has a characteristic that the efficiency is robust with respect to the dryness, the erosion is strong, and reliability can be expected.

ここで、本発明を実際に、媒体にペンタンを使用した例と、媒体に水を使用した例を挙げて比較して検証する。
図1で示したバイナリー発電システム10において、媒体としてペンタンを用いたペンタンハイブリットサイクルについて説明する。
ペンタンハイブリッドサイクルでは、低温熱源の温度が200℃、熱交換器11による熱交換で得られたペンタンの温度は、189.99℃、二相流タービン15による、発電機16の出力が553kW、蒸気タービン13による発電機17の出力が3542KWであり、総発電出力が4095KW、送電出力が3350KWで、サイクル効率が13.85%であった。
以上のように、ペンタンを媒体として用いた場合、出力の大部分を、蒸気タービンが占めていることがわかる。この場合、蒸気タービンに流入する蒸気の流量他、作動条件は現行ORCと類似しており、実現性が見込まれる。
二相流タービンをなくし、出力を多少下げても、蒸発器が不要となり、低コストで製造可能となり、現行ORCに比較して優位性のあるシステムであるといえる。
Here, the present invention is actually verified by comparing an example in which pentane is used as a medium and an example in which water is used as a medium.
A pentane hybrid cycle using pentane as the medium in the binary power generation system 10 shown in FIG. 1 will be described.
In the pentane hybrid cycle, the temperature of the low-temperature heat source is 200 ° C., the temperature of pentane obtained by heat exchange by the heat exchanger 11 is 189.99 ° C., the output of the generator 16 by the two-phase turbine 15 is 553 kW, steam The output of the generator 17 by the turbine 13 was 3542 KW, the total power output was 4095 KW, the power transmission output was 3350 KW, and the cycle efficiency was 13.85%.
As described above, when pentane is used as a medium, it can be understood that the steam turbine occupies most of the output. In this case, the operating conditions other than the flow rate of the steam flowing into the steam turbine are similar to those of the current ORC, and feasibility is expected.
Even if the two-phase flow turbine is eliminated and the output is somewhat reduced, an evaporator is not required, and the system can be manufactured at a low cost. Thus, the system is superior to the current ORC.

一方、図1で示したバイナリー発電システム10において、媒体として水を用いた水ハイブリッドサイクルについて説明する。
水ハイブリッドサイクルでは、二相流タービン15による、発電機16の出力が1238kWに対し、蒸気タービン13による発電機17の出力が2206KWであり、総発電出力が3443KW、送電出力が2991KWで、サイクル効率が12.37%であった。
以上のように、水を媒体として用いた場合、出力配分が、二相流タービン15と蒸気タービン13とで、1:2程度となっている。
蒸気タービン13への蒸気の流量が小さくタービンの効率を80%確保できるかが課題ではある。
On the other hand, a water hybrid cycle using water as a medium in the binary power generation system 10 shown in FIG. 1 will be described.
In the water hybrid cycle, the output of the generator 16 by the two-phase flow turbine 15 is 1238 kW, the output of the generator 17 by the steam turbine 13 is 2206 kW, the total power output is 3443 kW, the power transmission output is 2991 kW, and the cycle efficiency Was 12.37%.
As described above, when water is used as a medium, the power distribution is about 1: 2 between the two-phase flow turbine 15 and the steam turbine 13.
The problem is whether the flow rate of steam to the steam turbine 13 is small and the efficiency of the turbine can be secured 80%.

本発明のバイナリー発電システムは、システム全体効率が向上し、且つ、水を媒体として使用することにより安全性が向上し、設備コストの抑制が可能となる。そのため本発明は、様々な規模の、さらには、様々な方式のバイナリー発電システムに適用可能である。   In the binary power generation system of the present invention, the overall efficiency of the system is improved, and the safety is improved by using water as a medium, and the facility cost can be suppressed. Therefore, the present invention can be applied to binary power generation systems of various scales and various systems.

10 バイナリー発電システム
11 熱交換器
12 セパレータ
12b筐体
13 蒸気タービン
14 復水器
15 二相流タービン
16、17 発電機
18 第1ポンプ
19 第2ポンプ
20 タービン軸
21 ロータ
22 ノズル
23 動翼
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Binary power generation system 11 Heat exchanger 12 Separator 12b housing | casing 13 Steam turbine 14 Condenser 15 Two-phase flow turbines 16 and 17 Generator 18 1st pump 19 2nd pump 20 Turbine shaft 21 Rotor 22 Nozzle 23 Moving blade

Claims (6)

低温熱源と、媒体とを熱交換する熱交換器と、
該熱交換器にて熱交換された前記媒体が供給され、動力を取得する二相流タービンと、
前記二相流タービンによって駆動される発電機と、
前記二相流タービンから流出した前記媒体を気液分離するセパレータと、
該セパレータから、前記媒体を気液分離して得られた蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービンと、
該蒸気タービンによって駆動される発電機と、
該蒸気タービンからの蒸気を凝縮する復水器と、
を備えたことを特徴とするバイナリー発電システム。
A heat exchanger for exchanging heat between the low-temperature heat source and the medium;
A two-phase flow turbine that is supplied with the medium heat-exchanged by the heat exchanger and obtains power;
A generator driven by the two-phase turbine;
A separator for gas-liquid separation of the medium flowing out of the two-phase flow turbine ;
A steam turbine for obtaining power by supplying steam obtained by gas-liquid separation of the medium from the separator;
A generator driven by the steam turbine;
A condenser for condensing steam from the steam turbine;
A binary power generation system characterized by comprising:
前記媒体は水であことを特徴とする請求項1に記載のバイナリー発電システム。 Binary power generation system of claim 1 wherein the medium is characterized in that Ru Mizudea. 前記媒体は低沸点有機媒体であることを特徴とする請求項1に記載のバイナリー発電システム。   The binary power generation system according to claim 1, wherein the medium is a low boiling point organic medium. 前記媒体は代替えフロンであことを特徴とする請求項1に記載のバイナリー発電システム。 Binary power generation system of claim 1 wherein the medium is characterized in that Ru der alternative flon. 前記二相流タービンは、衝動式タービンである、ことを特徴とする請求項に記載のバイナリー発電システム。 The binary power generation system according to claim 1 , wherein the two-phase flow turbine is an impulse turbine. 前記二相流タービンは、容積型タービンである、ことを特徴とする請求項に記載のバイナリー発電システム。 The binary power generation system according to claim 1 , wherein the two-phase flow turbine is a positive displacement turbine.
JP2012283916A 2012-12-27 2012-12-27 Binary power generation system Active JP5960045B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012283916A JP5960045B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Binary power generation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012283916A JP5960045B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Binary power generation system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014125990A JP2014125990A (en) 2014-07-07
JP5960045B2 true JP5960045B2 (en) 2016-08-02

Family

ID=51405681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012283916A Active JP5960045B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Binary power generation system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5960045B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6306821B2 (en) * 2013-01-08 2018-04-04 日野自動車株式会社 Rankine cycle engine
JP5778849B1 (en) * 2014-12-22 2015-09-16 三井造船株式会社 Power equipment
JP6762374B2 (en) * 2016-04-29 2020-09-30 スピラックス‐サルコ リミテッド Pump device
JP6757631B2 (en) * 2016-09-02 2020-09-23 株式会社Ihi回転機械エンジニアリング Binary power generation system
CN107060926A (en) * 2017-01-25 2017-08-18 天津大学 A kind of middle low temperature heat energy combined generating system of utilization two-phase pipe airlift pump

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS531737A (en) * 1976-06-28 1978-01-10 Shigeji Sugaya Method of earth heat power generation and apparaus for its heat recovery
US4228657A (en) * 1978-08-04 1980-10-21 Hughes Aircraft Company Regenerative screw expander
JPS5820303U (en) * 1981-08-03 1983-02-08 三菱重工業株式会社 binary generator
JP2711085B2 (en) * 1995-08-29 1998-02-10 川崎重工業株式会社 Gas turbine equipment
JP2004044455A (en) * 2002-07-10 2004-02-12 Toshiba Corp Temperature stratification resolving system
JP2010078216A (en) * 2008-09-25 2010-04-08 Toyota Industries Corp Ebullient cooling device
JP5494514B2 (en) * 2011-02-02 2014-05-14 トヨタ自動車株式会社 Rankine cycle system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014125990A (en) 2014-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kang Design and preliminary tests of ORC (organic Rankine cycle) with two-stage radial turbine
Astolfi et al. Binary ORC (Organic Rankine Cycles) power plants for the exploitation of medium–low temperature geothermal sources–Part B: Techno-economic optimization
JP5960045B2 (en) Binary power generation system
KR100766101B1 (en) Turbine generator using refrigerant for recovering energy from the low temperature wasted heat
CA2820606C (en) Parallel cycle heat engines
EP3224458B1 (en) Electrothermal energy storage system and an associated method thereof
JP6086726B2 (en) Power generation system and power generation method
KR101553196B1 (en) Power generation system of organic rankine binary cycle
US9500205B2 (en) Multi-pressure radial turbine system
US20120006024A1 (en) Multi-component two-phase power cycle
KR102011859B1 (en) Energy saving system for using waste heat of ship
Wang et al. Thermodynamic evaluation of an ORC system with a low pressure saturated steam heat source
KR101247772B1 (en) generator of ship using the organic rankine cycle
Welch et al. Construction and startup of low temperature geothermal power plants
JP6049565B2 (en) Geothermal turbine
KR20140086203A (en) Energy saving system for using waste heat of ship
KR20140085003A (en) Energy saving system for using waste heat of ship
Kang et al. Design and experimental study of organic Rankine cycle (ORC) and radial turbine
Efstathiadis et al. A preliminary turbine design for an organic Rankine cycle
US20190170024A1 (en) Global cooling system and method
JP3199309U (en) Radial outflow turbine and cogeneration system using the same
Dagdas Exergy analysis and pressure optimisation of geothermal binary power plants
KR101669519B1 (en) Turbine of orc generation system
Hays Demonstration of a variable phase turbine power system for low temperature geothermal resources
JP2013170553A (en) Geothermal power generation device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150522

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160108

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160304

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160428

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160527

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160622

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5960045

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151