JP5960045B2 - Binary power generation system - Google Patents
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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、CO2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
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
According to the TS diagram, in the
In the
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
Then, in the
As described above, it can be understood that the binary
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,
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
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
Moreover, although the thing of
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
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(C4H10、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
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.
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
The binary
The binary
Further, the binary
And between the
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
The heat source for geothermal heat is approximately 220 ° C., and water as a medium in the
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-
When the saturated water of about 190 ° C. flows, the
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
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
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
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
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
In the
The condensate from the
From state 4 to state 5, in the
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-
When passing through this two-
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
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
When passing through the
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
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
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
(Second Embodiment)
In the binary
That is, in the binary
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
(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
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
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
Since heat exchange is possible in the liquid-liquid state in the
以上、本発明について第1〜第2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-
In this case, the two-
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-
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-
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-
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
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
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
In the water hybrid cycle, the output of the
As described above, when water is used as a medium, the power distribution is about 1: 2 between the two-
The problem is whether the flow rate of steam to the
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
Claims (6)
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:
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