JP5999322B2 - 発電システム - Google Patents
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Description
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するのが火力発電であり、これを原動機別にみると、蒸気タービンによる汽力発電、ディーゼル機関などによる内燃力発電、ガスタービン発電、そしてガスタービン発電と汽力発電を複合したコンバインドサイクル(複合)発電に分類される。
この発電量の改善策として、水蒸気タービンから排出する水蒸気の凝縮潜熱を低沸点の有機媒体(プロパン、アレンなど)に伝達して中圧蒸気を発生させて、その蒸気でタービンを駆動してバイナリー発電を行う方式である。(特許文献3)この方式でも有機媒体蒸気の冷却は空冷または水冷で行っているので、後段のタービンによる発電増加量は前段水蒸気タービン発電量の最大12%程度である。
さらに、本発明に係る発電システムによれば、低圧タービンから排出された有機媒体蒸気の液化温度を冷凍機を用いて安定化することができるため、定常な発電が容易にでき、運転管理がしやすい。
本発明は上記のようにシステム構成されるが、下記に発電プロセスを例示し、その効果作用を説明する。
発電量9.0×104kWの電気エネルギーに相当する熱エネルギーは、9.0×104×860.5=7.75×107kcal/hとなり、この電気エネルギーを得るためのタービンに送入すべき水蒸気量は、タービンおよび発電機の総合有効効率を76%とすると、7.75×107kcal/[(820.9−641.4)×0.76]=5.68×105kg/hとなる。
火力発電プロセスを構成するための補助機器として、ボイラ給水22をボイラ1に送入する給水ポンプ23が必要である。このポンプの消費電力量と9×104kWの発電量を確保するために、発電水蒸気タービン2に供給すべき水蒸気量をx[kg/h]とすれば、ポンプ所要動力Wp[kW]は次式となる。
Wp=VΔP/(η×3.67×105)…(1)
ここで、送液流量V[m3/h]、凝縮水とボイラ水蒸気との圧力差ΔP[kgf/m2]、単位換算係数;3.67×105kgf・m/kWhである。また、ポンプ効率η[−]は78%である(火力発電、電気学会大学講座(1966))。
Wp=x×10−3×(170−1)×104/(0.78×3.67×105)
=5.90×10−3x
0.158x−5.90×10−3x=9.0×104…(2)
従来の火力発電は、水蒸気のエンタルピー差を電力に変換し、100℃近くで水蒸気が凝結する前に、タービンから抜き出して復水器で凝縮させている。すなわち820.9−641.4=179.5kcal/kgを発電に利用し、538.8kcal/kgの凝縮潜熱を環境に放出している。この潜熱を液体ブタンの蒸発に利用して98℃、14.6kgf/cm2の飽和蒸気ブタン15を発生させ、この飽和蒸気ブタン15で低圧タービン5による発電を行い、タービンからの蒸気ブタン16は冷凍機9により−10℃程度に冷却して液化して循環させることによりサイクルを構成するプロセスである。
x =(水の凝縮潜熱+100〜2℃の凝縮水顕熱)/(ブタン蒸発潜熱+0〜98℃のブタン顕熱)
=(538.8+98)/(87.75+53.8) …(3)
ここでブタンの蒸発潜熱は87.75kcal/kgである。
蒸気ブタンの定圧比熱Cp(kcal/kg・K)は下記の(4)式で表わされる(出展;化学工学便覧)。
Cp=0.0766+1.243×10−3T−0.382×10−6T2 …(4)
h98=∫0 371CpdT=0.0766×371+1.243×10−3×(1/2)
×3712−0.382×10−6×(1/3)×3713
=107.5
h2=∫0 275CpdT=0.0766×275+1.243×10−3×(1/2)
×2752−0.382×10−6×(1/3)×2753
=65.4
2.66×106×(107.5−65.4)×0.76/860.5
=9.89×104
Antoine式によるブタンの蒸気圧P(kPa)は下記の(5)式で表される。
logP=5.93386−935.86/(238.73+θ)…(5)
ここでθはブタン温度(℃)である。
上記で示したように、蒸気ブタン16は2℃でタービンから排出し、−10℃まで冷凍機9で冷却される間に凝縮して−10℃の液体ブタン19となって循環利用される。冷却熱量計算は、2〜−4℃の間ではブタンは気体状で冷却され、−4℃で全凝縮して−4〜−10℃の間は液体ブタンとして冷却されるとして冷熱計算を行う。ブタン冷却の各過程での計算結果を下記表2に示す。
飽和蒸気ブタン15の重量は2.66×106kg/hであるから、所要冷熱量(冷凍機負荷)は、93.36×2.66×106=2.48×108kcal/h(2.88×105kW)となる。ここで、−10℃の液体ブタン19は、蒸気ブタン熱交換器7において2℃でブタンタービンから排出する蒸気ブタン16と0℃まで熱交換することにより冷熱源となる。その冷熱量は2.66×106×10×0.549=1.46×107kcal/hである。したがって、冷凍機負荷は2.48×108−1.46×107=2.33×108kcal/h(2.71×105kW)となる。
液体ブタン19は、蒸気ブタン熱交換器7および凝縮水−液体ブタン熱交換器11で予熱された後、水蒸気−液体ブタン熱交換器6で加熱されて、98℃、14.6kgf/cm2の蒸気ブタン15となる。そのため、熱交換器6、7、11での圧力損失を考慮すれば、液体ブタンポンプ10の吐出圧力Pは16kgf/cm2程度は必要と考えられ、その場合のポンプの所要動力Wp(kW)は(1)式より下記の値となる。−10℃におけるブタン蒸気圧は(5)式より69.5kPa(0.71kgf/cm2)である。
Wp=(2.66×106/0.598)×10−3×(16−0.71)×104
/(0.78×3.67×105)
=2.38×103
ここで、送液流量V;2.66×106kg/h、液体ブタン比重d;0.598、ポンプ効率;78%、単位換算係数;3.67×105kgf・m/kWhである。
で求められる。
2 発電水蒸気タービン
3 発電ブタン蒸気タービン
4 発電機
5 発電機
6 水蒸気−液体ブタン熱交換器(復水器)
7 蒸気ブタン熱交換器
8 液体ブタン熱交換器
9 冷凍機
10 液体ブタンポンプ
11 凝縮水−液体ブタン熱交換器
12 高圧水蒸気(550℃)
13 水蒸気(105℃)
14 凝縮水(100℃)
15 飽和蒸気ブタン(98℃)
16 蒸気ブタン(2℃)
17 蒸気ブタン(0℃)
18 冷媒(−12℃)
19 液体ブタン(−10℃)
20 液体ブタン(0℃)
21 液体ブタン(98℃)
22 ボイラ給水
23 給水ポンプ
Claims (5)
- 熱を利用して給水を加熱して水蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラからの水蒸気の熱エネルギーによって回転作動する高圧水蒸気タービンおよび該高圧水蒸気タービンによって駆動する発電機と、前記高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が0〜−30℃である液体有機媒体を蒸気に変換させ、かつ前記水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器(復水器)と、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器(復水器)から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービンおよび該低圧タービンによって駆動する発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器およびその冷却機能を持つ冷凍機と、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器(復水器)から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えることを特徴とする発電システム。
- 前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体によって冷却する蒸気有機媒体熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の発電システム。
- 前記有機媒体がブタンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電システム。
- 水蒸気の発生が化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するものである請求項1〜3のいずれかに記載の発電システム。
- 水蒸気の発生が核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものである請求項1〜3のいずれかに記載の発電システム。
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