JP6084879B2

JP6084879B2 - バイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法

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Publication number: JP6084879B2
Application number: JP2013074483A
Authority: JP
Inventors: 三島　俊一; 俊一三島; 遠藤　正人; 正人遠藤
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199025A

Description

本発明は、バイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法に関し、特には、カリーナサイクル方式のバイナリー発電システムおよびその運転方法に関するものである。

従来、アンモニア等の水よりも沸点が低い低沸点媒体を加熱し、発生した蒸気を用いてタービン発電機のタービンの羽根車を回転させることにより発電するバイナリー発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、バイナリー発電の発電方式としては、アンモニア、ブタン、ペンタン等の単体（純物質）を低沸点媒体として用いるランキンサイクル方式と、水とアンモニアとの混合物等の沸点の異なる２以上の物質の混合物を低沸点媒体として用いるカリーナサイクル方式とが知られている。そして、これらの発電方式のなかでも、カリーナサイクル方式のバイナリー発電システムが、沸点の異なる２以上の物質の混合物の蒸発・凝縮特性を利用してシステム全体の発電効率を改良し得ることから、注目されている。

なお、タービン発電機を用いた上記従来のカリーナサイクル方式のバイナリー発電システムでは、低沸点媒体（沸点の異なる２以上の物質の混合物）を加熱して低沸点媒体の蒸気（以下「低沸点媒体蒸気」と称することがある。）と蒸発残液との混合流体を得る蒸発器と、低沸点媒体蒸気と蒸発残液とを気液分離する分離器と、低沸点媒体蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換するタービンと、低沸点媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、低沸点媒体蒸気の凝縮物と蒸発残液との混合物よりなる液状の低沸点媒体を蒸発器に送る媒体送液ポンプとを備える閉ループ内で低沸点媒体を循環させる。そして、このバイナリー発電システムでは、タービンで得た回転エネルギーがタービン発電機の発電機で電気エネルギーに変換される。

特開２００９−２２１９６１号公報

ここで、上記従来のバイナリー発電システムでは、タービンの回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受との間の隙間等からアンモニアなどの低沸点媒体蒸気が外部へ漏れ出す可能性がある。そのため、回転軸と軸受との間の隙間等からの低沸点媒体蒸気の漏出を防止する必要がある。

そこで、本発明者らは、ケーシングと、ケーシングを貫通する回転軸と、回転軸に固定された羽根車と、ケーシング内で回転軸を支持する一対の軸受と、回転軸の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを備えるタービンを使用すると共に、メカニカルシール部材でシールされたタービンのケーシング内に冷却液を流通させることに着想した。このようなタービンを用いれば、メカニカルシール部材と、ケーシング内を流れる冷却液との双方を利用して、低沸点媒体蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを防止することができる。

ここで、バイナリー発電システムの閉ループ内を流れる低沸点媒体蒸気が外部へ漏れ出すのを確実に防止する観点からは、タービンのケーシング内に流通させる冷却液の圧力を閉ループ内の圧力より高くすることが好ましい。しかしながら、本発明者らが更に検討を重ねたところ、タービンのケーシング内に流通させる冷却液の圧力が高いと、ケーシング内からバイナリー発電システムの閉ループ内へと冷却液が流れ出し、低沸点媒体の組成が変化してバイナリー発電システムの性能が低下するという問題が生じることを新たに見出した。

そこで、本発明は、低沸点媒体の組成の変化による性能の低下を抑制しつつ、低沸点媒体の蒸気の外部への漏出を防止することができるバイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のバイナリー発電システムは、第１媒体と、当該第１媒体よりも沸点の低い第２媒体との混合媒体よりなる低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電システムであって、前記低沸点媒体を加熱して、前記第２媒体の蒸気を含む低沸点媒体の蒸気と、前記第１媒体を含む蒸発残液との混合流体を得る蒸発器と、前記混合流体を低沸点媒体の蒸気と蒸発残液とに気液分離する分離器と、前記分離器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換するタービンと、前記タービンにおいて運動エネルギーの一部を前記回転軸の回転エネルギーに変換した前記低沸点媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記低沸点媒体の蒸気の凝縮物と、前記分離器で分離した前記蒸発残液との混合物よりなる液状の低沸点媒体を前記蒸発器に送る媒体送液ポンプと、前記分離器で分離した前記蒸発残液を前記媒体送液ポンプへと送る蒸発残液ラインとを備え、前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを有しており、前記タービンの前記ケーシング内に第１媒体よりなる冷却液を流通する冷却液ポンプと、前記タービンの前記ケーシング内からの前記冷却液の流出による前記液状の低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出する第１媒体量検出器と、前記蒸発残液ラインから前記蒸発残液を抜き出す蒸発残液抜き出し機構と、前記第１媒体量検出器で検出した前記第１媒体の増加量に基づき、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて前記蒸発残液を抜き出して、前記液状の低沸点媒体中の増加した前記第１媒体の量を減少させる制御装置とを更に備えることを特徴とする。
このように、メカニカルシール部材でシールされたタービンのケーシング内に冷却液を流通させれば、メカニカルシール部材のみでは低沸点媒体の蒸気の漏出を防止できなかった場合であっても、低沸点媒体の蒸気をケーシング内で凝縮させることができるので、低沸点媒体の蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを防止することができる。また、冷却液として第１媒体を使用すると共に、制御装置を設け、第１媒体量検出器で検出した低沸点媒体中の第１媒体の増加量に基づいて蒸発残液抜き出し機構で蒸発残液を抜き出せば、低沸点媒体中の増加した第１媒体の量を減少させることができる。従って、低沸点媒体の組成の変化による性能の低下を抑制することができる。

ここで、本発明のバイナリー発電システムは、前記蒸発残液ラインに、前記蒸発残液中の前記第１媒体の量を測定する第１媒体量測定器を設け、前記制御装置は、前記第１媒体量検出器で検出した前記第１媒体の増加量と、前記第１媒体量測定器で測定した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量とに基づき、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて抜き出す前記蒸発残液の量を決定することが好ましい。第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量と、第１媒体量測定器で測定した蒸発残液中の第１媒体の量とを用いて蒸発残液の抜き出し量を決定すれば、蒸発残液を抜き出した際の低沸点媒体中の第１媒体の減少量を適切に制御することができる。従って、蒸発残液の過度の抜き出し（即ち、低沸点媒体中の第１媒体量の過度の減少）に起因したバイナリー発電システムの性能の低下を抑制することができるからである。

そして、本発明のバイナリー発電システムは、前記蒸発残液抜き出し機構が、前記蒸発残液を貯留する蒸発残液タンクと、当該蒸発残液タンクに設けられたレベル計と、前記蒸発残液タンクから前記蒸発残液を排出する排出装置とを備え、前記制御装置が、前記レベル計で測定した前記蒸発残液タンクの液位変動に基づいて、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて抜き出す前記蒸発残液の量を制御することが好ましい。レベル計で測定した蒸発残液タンクの液位変動を用いれば、蒸発残液の抜き出し量を容易かつ適切に制御することができるからである。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のバイナリー発電システムの運転方法は、第１媒体と、当該第１媒体よりも沸点の低い第２媒体との混合媒体よりなる低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電システムの運転方法であって、前記低沸点媒体を加熱して、前記第２媒体の蒸気を含む低沸点媒体の蒸気と、前記第１媒体を含む蒸発残液との混合流体を得る蒸発工程と、前記混合流体を低沸点媒体の蒸気と蒸発残液とに気液分離する気液分離工程と、前記気液分離工程で分離した前記低沸点媒体の蒸気の運動エネルギーをタービンの回転軸の回転エネルギーに変換する変換工程と、前記変換工程において運動エネルギーの一部を前記回転軸の回転エネルギーに変換した前記低沸点媒体の蒸気を凝縮させる凝縮工程と、前記低沸点媒体の蒸気の凝縮物と、前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液との混合物よりなる液状の低沸点媒体を前記蒸発工程に供する循環工程とを含み、前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを有し、前記タービンの前記ケーシング内には、第１媒体よりなる冷却液が流通され、前記バイナリー発電システムでは、前記タービンの前記ケーシング内からの前記冷却液の流出による前記液状の低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出し、検出した前記第１媒体の増加量に基づき、前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液を抜き出して前記液状の低沸点媒体中の増加した前記第１媒体の量を減少させることを特徴とする。
このように、メカニカルシール部材でシールされたタービンのケーシング内に冷却液を流通させれば、メカニカルシール部材のみでは低沸点媒体の蒸気の漏出を防止できなかった場合であっても、低沸点媒体の蒸気をケーシング内で凝縮させることができるので、低沸点媒体の蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを防止することができる。また、冷却液として第１媒体を使用すると共に、低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出し、検出した低沸点媒体中の第１媒体の増加量に基づいて蒸発残液を抜き出せば、低沸点媒体中の増加した第１媒体の量を減少させることができる。従って、低沸点媒体の組成の変化による性能の低下を抑制することができる。

ここで、本発明のバイナリー発電システムの運転方法は、前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量を測定し、検出した前記第１媒体の増加量と、測定した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量とに基づき、前記蒸発残液の抜き出し量を決定することが好ましい。蒸発残液中の第１媒体の量を測定し、検出した第１媒体の増加量と、測定した蒸発残液中の第１媒体の量とを用いて蒸発残液の抜き出し量を決定すれば、蒸発残液を抜き出した際の低沸点媒体中の第１媒体の減少量を適切に制御することができる。従って、蒸発残液の過度の抜き出し（即ち、低沸点媒体中の第１媒体量の過度の減少）に起因したバイナリー発電システムの性能の低下を抑制することができるからである。

そして、本発明のバイナリー発電システムの運転方法は、前記バイナリー発電システムが、抜き出した前記蒸発残液を貯留する蒸発残液タンクと、当該蒸発残液タンクに設けられたレベル計と、前記蒸発残液タンクから前記蒸発残液を排出する排出装置とを備え、前記レベル計で測定した前記蒸発残液タンクの液位変動に基づいて前記蒸発残液の抜き出し量を制御することが好ましい。レベル計で測定した蒸発残液タンクの液位変動を用いれば、蒸発残液の抜き出し量を容易かつ適切に制御することができるからである。

本発明のバイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法によれば、低沸点媒体の組成の変化による性能の低下を抑制しつつ、低沸点媒体の蒸気の外部への漏出を防止することができる。

本発明に従う代表的なバイナリー発電システムの概略構成を示す説明図である。図１に示すバイナリー発電システムのタービンの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
ここで、本発明のバイナリー発電システムは、沸点の異なる２以上の物質の混合物を低沸点媒体として用いるカリーナサイクル方式のバイナリー発電システムである。

図１に、本発明に従うバイナリー発電システムの一例の概略構成を示す。このバイナリー発電システム１０は、第１媒体と、第１媒体よりも沸点の低い第２媒体との混合媒体よりなる低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるカリーナサイクル方式のバイナリー発電システムである。なお、第１媒体としては、例えば水を用いることができ、第２媒体としては、例えばアンモニアを用いることができる。

バイナリー発電システム１０は、タービンＴと発電機Ｇとからなるタービン発電機を有している。そして、バイナリー発電システム１０では、低沸点媒体タンク１と、媒体送液ポンプＰ１と、再生熱交換器２と、蒸発器３と、流体加熱器４と、分離器５と、蒸気加熱器６と、タービンＴと、吸収器７と、凝縮器８とを備える閉ループ内で低沸点媒体を循環させることにより、タービン発電機を用いて発電を行う。

ここで、低沸点媒体タンク１は、液状の低沸点媒体を貯留するタンクである。そして、低沸点媒体タンク１中の低沸点媒体（この一例のバイナリー発電システム１０では、第１媒体としての水と、第２媒体としてのアンモニアとの混合物）は、媒体送液ポンプＰ１により、再生熱交換器２を介して蒸発器３へと送られる。

再生熱交換器２は、低温の低沸点媒体と、後に詳細に説明する分離器５において分離された高温の蒸発残液との間で熱交換を行い、低沸点媒体が蒸発器３へと流入する前に低沸点媒体を予加熱する装置である。この再生熱交換器２では、蒸発残液の有する熱エネルギーが低沸点媒体の予加熱に有効利用される。

そして、再生熱交換器２で予加熱された低沸点媒体は、蒸発器３において更に加熱され、少なくとも一部が蒸気となる。具体的には、蒸発器３では、低沸点媒体が加熱され、大部分が第２媒体の蒸気（アンモニア蒸気）よりなる低沸点媒体蒸気と、大部分が第１媒体（水）よりなる蒸発残液との混合流体が生成する（蒸発工程）。なお、蒸発器３において低沸点媒体を加熱する際の熱源としては、焼却炉等からの温排水、加熱炉の排気ガス、温泉、蒸気などのバイナリー発電において通常用いられる熱源を使用することができる。

流体加熱器４は、蒸発器３で得た低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を更に加熱し、低沸点媒体蒸気の量を増やすと共に、低沸点媒体蒸気を加熱する。なお、流体加熱器４において混合流体を加熱する際の熱源としては、蒸発器３と同様の熱源を使用することができる。

分離器５は、流体加熱器４から流出した低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を、低沸点媒体蒸気と、蒸発残液とに気液分離する（気液分離工程）。そして、分離器５で分離された低沸点媒体蒸気は、蒸気加熱器６へと送られる。また、蒸発残液は、再生熱交換器２を介して吸収器７へと送られる。なお、分離器５としては、ミストセパレーターやサイクロンなどの既知の気液分離装置を用いることができる。

蒸気加熱器６は、分離器５で分離された低沸点媒体蒸気を加熱し、バイナリー発電システム１０の発電効率を向上させるための装置である。なお、蒸気加熱器６において低沸点媒体蒸気を加熱する際の熱源としては、蒸発器３や流体加熱器４と同様の熱源を使用することができる。

タービンＴは、蒸気加熱器６から流出した低沸点媒体蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換する（変換工程）。そして、タービンＴの回転軸は発電機Ｇに接続されており、タービンＴで得た回転エネルギーは、発電機Ｇにおいて電気エネルギーに変換される。

吸収器７は、タービンＴの回転軸を回転させた後の低沸点媒体蒸気と、分離器５で分離した蒸発残液とを混合し、低沸点媒体蒸気の一部を蒸発残液に吸収させる。なお、吸収器７としては、スプレー塔等の既知の気液混合装置を用いることができる。

凝縮器８は、吸収器７から流出した低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を冷却し、タービンＴにおいて運動エネルギーの一部が回転軸の回転エネルギーに変換された低沸点媒体蒸気を凝縮させる（凝縮工程）。そして、凝縮器８において低沸点媒体蒸気を凝縮させて得られる液状の低沸点媒体（低沸点媒体蒸気の凝縮物と蒸発残液との混合物）は、低沸点媒体タンク１に貯留された後、媒体送液ポンプＰ１により再び蒸発器３へと送られる（循環工程）。

ここで、上述したバイナリー発電システム１０のタービンＴは、回転軸の軸線方向に沿う断面を図２に示すように、ケーシング１００と、ケーシング１００を貫通する回転軸１１０と、回転軸１１０の軸線方向一端（図２では左側端）に固定された羽根車１２０と、ケーシング１００内で回転軸１１０を回転自在に支持する一対の軸受１３１，１３２と、回転軸１１０のうちケーシング１００内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材１４１，１４２とを備えている。

ここで、ケーシング１００は、回転軸１１０を挿通可能な筒状体であり、特に限定されることなく、軸線方向一方側（図２では左側）に位置する第１ケーシング部材１０１、軸線方向中央に位置する第２ケーシング部材１０２および軸線方向他方側（図２では右側）に位置する第３ケーシング部材１０３の３つの部材で構成されている。なお、第１ケーシング部材１０１、第２ケーシング部材１０２および第３ケーシング部材１０３は、既知の手法を用いて互いに液密に連結されている。
そして、このタービンＴでは、一対の軸受１３１，１３２は第２ケーシング部材１０２の内側に設けられている。また、図２では左側に位置する第１メカニカルシール部材１４１は、第１ケーシング部材１０１の内周面と、回転軸１１０の外周面との間に設けられている。更に、図２では右側に位置する第２メカニカルシール部材１４２は、第３ケーシング部材１０３の内周面と、回転軸１１０の外周面との間に設けられている。

また、回転軸１１０に固定された羽根車１２０は、ケーシング１００の外側に位置し、複数の羽根１２１を有している。そして、タービンＴでは、羽根車１２０の近傍に設けられた複数の噴出ノズル１２２から羽根１２１に向けて低沸点媒体蒸気を噴き付けることにより、羽根車１２０と、一対の軸受１３１、１３２に軸支された回転軸１１０とを回転させる。

ここで、タービンＴの回転軸１１０は、メカニカルシール部材１４１，１４２と、ケーシング１００内に流通させた所定圧力の第１媒体よりなる冷却液とを用いてシールされている。具体的には、タービンＴでは、ケーシング１００内のメカニカルシール部材１４１，１４２間に位置する空間Ｓに所定圧力の冷却液を流通させることにより、羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気がタービンＴ内を通って蒸気のまま外部へと漏れるのを防止している。

なお、ケーシング１００内への冷却液の供給は、図２では下側で第２ケーシング部材１０２の外周面と内周面１０２Ａとを連通する冷却液供給口１５１を介して行うことができる。また、ケーシング１００内からの冷却液の排出は、図２では上側で第２ケーシング部材１０２の外周面と内周面１０２Ａとを連通する冷却液排出口１５２を介して行うことができる。因みに、第１媒体よりなる冷却液の供給は、図１に示すように冷却液ポンプＰ２を用いて行うことができる。

ここで、ケーシング１００内に流通させる冷却液の「所定圧力」、即ちケーシング１００内に供給する冷却液の供給圧力は、タービンＴの羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力よりも高い圧力にすることが好ましい。冷却液の供給圧力を羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力よりも高くすれば、ケーシング１００内への低沸点媒体蒸気の流入を抑制して低沸点媒体蒸気の外部への漏れ出しを確実に防止することができるからである。また、第１メカニカルシール部材１４１の内周面と回転軸１１０の外周面との間に冷却液を供給することができるので、摩擦により第１メカニカルシール部材１４１が損傷するのを抑制することができるからである。

しかし、羽根車１２０側でメカニカルシールを構成する第１メカニカルシール部材１４１の内周面と回転軸１１０の外周面との間には、メカニカルシールを形成するための微小な隙間が形成されている。そのため、冷却液の供給圧力を高くした場合、特に、冷却液の供給圧力を羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力以上にした場合には、当該微小な隙間を通って冷却液が羽根車１２０側（閉ループ内）へと漏れ出す。そして、第１媒体よりなる冷却液が閉ループ内に漏れ出すと、閉ループ内を流れる低沸点媒体中の第１媒体の割合が増加し、低沸点媒体の組成が変化してバイナリー発電システム１０の性能が低下する。そこで、このバイナリー発電システム１０では、以下のようにして、低沸点媒体中の増加した第１媒体の量を減少させ、バイナリー発電システム１０の性能低下を抑制している。

具体的には、このバイナリー発電システム１０は、分離器５で分離した蒸発残液を、熱交換器２、吸収器７、凝縮器８および低沸点媒体タンク１を介して媒体送液ポンプＰ１へと送る蒸発残液ライン５０に、蒸発残液を抜き出す蒸発残液抜き出し機構を有している。
また、バイナリー発電システム１０は、タービンＴのケーシング１００内からの冷却液（第１媒体）の流出による低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出する第１媒体量検出器と、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量に基づき、蒸発残液抜き出し機構の動作を制御する制御装置９とを有している。

そして、このバイナリー発電システム１０では、制御装置９が、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量に基づいて蒸発残液抜き出し機構の動作を制御し、大部分が高沸点の第１媒体よりなる蒸発残液を蒸発残液抜き出し機構を用いて抜き出すことにより、低沸点媒体中の増加した第１媒体の量を減少させる。従って、バイナリー発電システム１０では、低沸点媒体の全量を交換するなどの煩雑な作業をすることなく、低沸点媒体の組成が変化してバイナリー発電システム１０の性能が低下するのを抑制することができる。即ち、このバイナリー発電システム１０では、蒸発残液中には第２媒体よりも沸点の高い第１媒体が多量に含まれていることを利用し、タービンＴに流通させる冷却液として第１媒体を用いることにより、閉ループ内への冷却液の漏れ出しにより変化した低沸点媒体の組成を、蒸発残液を抜き出すことで調整することを可能にしている。

ここで、蒸発残液抜き出し機構は、蒸発残液のみを抜き出すことが可能な位置、例えば、分離器５と吸収器７との間に設けることができる。なお、蒸発残液の有する熱エネルギーを再生熱交換機２において有効に利用する観点からは、蒸発残液抜き出し機構は、再生熱交換器２と吸収器７との間に設けることが好ましい。

また、蒸発残液抜き出し機構としては、特に限定されることなく、蒸発残液ライン５０から抜き出した蒸発残液を貯留する蒸発残液タンク５２と、蒸発残液タンク５２内に設けられたレベル計５３と、蒸発残液ライン５０と蒸発残液タンク５２との間に設けられた蒸発残液流入弁５４と、蒸発残液タンク５２の下部に設けられた蒸発残液排出弁５５とよりなる装置を用いることができる。このような構成の蒸発残液抜き出し機構を用いれば、制御装置９が蒸発残液流入弁５４および蒸発残液排出弁５５の開閉を制御することにより、蒸発残液ライン５０からの蒸発残液の抜き出しと、蒸発残液の抜き出しの停止とを実施できる。また、レベル計５３で蒸発残液タンク５２内の液位（液面位置）変動を検出すれば、蒸発残液の抜き出し量を容易かつ適切に制御することができる。具体的には、蒸発残液流入弁５４を開き、蒸発残液排出弁５５を閉じた状態で蒸発残液タンク５２内の液位の上昇量をレベル計５３で検出し、蒸発残液タンク５２内の液位が所定の位置に達した際に、制御装置９が、蒸発残液流入弁５４を閉じ、蒸発残液排出弁５５を開くことにより、蒸発残液の抜き出し量を容易かつ適切に制御することができる。

第１媒体量検出器は、液状の低沸点媒体（低沸点媒体蒸気の凝縮物と蒸発残液との混合物）中の第１媒体の量を検出可能な位置、例えば、凝縮器８と再生熱交換器２との間に設けることができる。

そして、第１媒体量検出器としては、特に限定されることなく、低沸点媒体タンク１内に設けられたレベル計１１や、凝縮器８と再生熱交換器２との間に設けられた比重計１２を用いることができる。なお、図１では、レベル計１１を第１媒体量検出器として用いた場合を示している。
ここで、レベル計１１を用いる場合には、バイナリー発電システム１０の閉ループ内では低沸点媒体タンク１内の液位の上昇が第１媒体の増加量に相当することから、低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を把握することができる。
また、比重計１２を用いる場合には、低沸点媒体の比重の変化が低沸点媒体中の第１媒体の量の増加に起因するものであることから、当該比重の変化量より、低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を把握することができる。
なお、レベル計１１を用いた場合には、第１媒体の量の増加を低コストで検出可能であり、比重計１２を用いた場合には、第１媒体の量の増加を正確に検出可能である。

制御装置９は、蒸発残液流入弁５４および蒸発残液排出弁５５の開閉を制御し、蒸発残液ライン５０から蒸発残液を抜き出して、低沸点媒体中の増加した第１媒体の量を減少させる。具体的には、例えば、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量に基づき、増加した分の第１媒体が抜き出されるように、蒸発残液流入弁５４および蒸発残液排出弁５５の開閉を制御して蒸発残液を抜き出す。

ここで、蒸発残液流入弁５４を開き、蒸発残液ライン５０からの蒸発残液の抜き出しを開始するタイミングは、例えば、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量が予め定めた所定量に達したタイミングとすることができる。なお、「所定量」は、実験的に、或いは、理論的に決定することができる。

また、蒸発残液流入弁５４を閉じ、蒸発残液ライン５０からの蒸発残液の抜き出しを停止するタイミングは、例えば、以下のようにして定めたタイミングとすることが好ましい。
即ち、蒸発残液ライン５０に、蒸発残液中の第１媒体の量を測定する第１媒体量測定器を設け、第１媒体量測定器で測定した蒸発残液中の第１媒体の量と、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量とから、低沸点媒体の組成がバイナリー発電システム１０の運転開始時の組成と等しくなるように蒸発残液の抜き出し量を決定し、その決定した量が抜き出されたタイミングで蒸発残液の抜き出しを停止することが好ましい。このように、測定した蒸発残液中の第１媒体の量に基づいて蒸発残液の抜き出し量を決定すれば、例えば蒸発器３や流体加熱器４における加熱条件の変動により蒸発残液の組成が変化した場合であっても、蒸発残液を抜き出した際の低沸点媒体中の第１媒体の減少量を適切に制御することができる。また、低沸点媒体の組成がバイナリー発電システム１０の運転開始時の組成と等しくなるように蒸発残液の抜き出し量を決定すれば、バイナリー発電システム１０の性能の低下を確実に抑制することができる。

ここで、蒸発残液中の第１媒体の量を測定する第１媒体量測定器としては、特に限定されることなく、図１では分離器５と蒸発残液抜き出し機構との間に設けられている比重計５１を用いることができる。

なお、蒸発残液の抜き出しを停止するタイミングは、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量が予め定めた所定量まで低下したタイミングとすることもできる。また、バイナリー発電システム１０では、第１媒体量検出器で検出した第１媒体の増加量に基づいて制御装置９が蒸発残液流入弁５４の開度を制御（フィードバック制御）することにより、蒸発残液を連続的に抜き出してもよい。

以上、一例を用いて本発明のバイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法について説明したが、本発明のバイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法は、上記一例に限定されることはなく、本発明のバイナリー発電システムおよびバイナリー発電システムの運転方法には、適宜変更を加えることができる。
具体的には、本発明のバイナリー発電システムは、流体加熱器や蒸気加熱器を有していなくてもよい。また、本発明のバイナリー発電システムのタービンは、羽根車を回転軸の中央部に固定し、羽根車の軸線方向両側に、メカニカルシール部材を備え、且つ、冷却液が流通されるケーシングを設けた構造（即ち、回転軸を両側で支持する構造）であってもよい。

１低沸点媒体タンク
２再生熱交換器
３蒸発器
４流体加熱器
５分離器
６蒸気加熱器
７吸収器
８凝縮器
９制御装置
１０バイナリー発電システム
１１レベル計
１２比重計
５０蒸発残液ライン
５１比重計
５２蒸発残液タンク
５３レベル計
５４蒸発残液流入弁
５５蒸発残液排出弁
Ｔタービン
Ｇ発電機
Ｐ１媒体送液ポンプ
Ｐ２冷却液ポンプ
１００ケーシング
１０１第１ケーシング部材
１０２第２ケーシング部材
１０３第３ケーシング部材
１０２Ａ内周面
１１０回転軸
１２０羽根車
１２１羽根
１２２噴出ノズル
１３１，１３２軸受
１４１，１４２メカニカルシール部材
１５１冷却液供給口
１５２冷却液排出口

Claims

第１媒体と、当該第１媒体よりも沸点の低い第２媒体との混合媒体よりなる低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電システムであって、
前記低沸点媒体を加熱して、前記第２媒体の蒸気を含む低沸点媒体の蒸気と、前記第１媒体を含む蒸発残液との混合流体を得る蒸発器と、
前記混合流体を低沸点媒体の蒸気と蒸発残液とに気液分離する分離器と、
前記分離器で分離した前記低沸点媒体の蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換するタービンと、
前記タービンにおいて運動エネルギーの一部を前記回転軸の回転エネルギーに変換した前記低沸点媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記低沸点媒体の蒸気の凝縮物と、前記分離器で分離した前記蒸発残液との混合物よりなる液状の低沸点媒体を前記蒸発器に送る媒体送液ポンプと、
前記分離器で分離した前記蒸発残液を前記媒体送液ポンプへと送る蒸発残液ラインと、
を備え、
前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを有しており、
前記タービンの前記ケーシング内に第１媒体よりなる冷却液を流通する冷却液ポンプと、
前記タービンの前記ケーシング内からの前記冷却液の流出による前記液状の低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出する第１媒体量検出器と、
前記蒸発残液ラインから前記蒸発残液を抜き出す蒸発残液抜き出し機構と、
前記第１媒体量検出器で検出した前記第１媒体の増加量に基づき、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて前記蒸発残液を抜き出して、前記液状の低沸点媒体中の増加した前記第１媒体の量を減少させる制御装置と、
を更に備えることを特徴とする、バイナリー発電システム。
前記蒸発残液ラインに、前記蒸発残液中の前記第１媒体の量を測定する第１媒体量測定器を設け、
前記制御装置は、前記第１媒体量検出器で検出した前記第１媒体の増加量と、前記第１媒体量測定器で測定した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量とに基づき、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて抜き出す前記蒸発残液の量を決定す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。
前記蒸発残液抜き出し機構が、前記蒸発残液を貯留する蒸発残液タンクと、当該蒸発残液タンクに設けられたレベル計と、前記蒸発残液タンクから前記蒸発残液を排出する排出装置とを備え、
前記制御装置が、前記レベル計で測定した前記蒸発残液タンクの液位変動に基づいて、前記蒸発残液抜き出し機構を用いて抜き出す前記蒸発残液の量を制御する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のバイナリー発電システム。
第１媒体と、当該第１媒体よりも沸点の低い第２媒体との混合媒体よりなる低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電システムの運転方法であって、
前記低沸点媒体を加熱して、前記第２媒体の蒸気を含む低沸点媒体の蒸気と、前記第１媒体を含む蒸発残液との混合流体を得る蒸発工程と、
前記混合流体を低沸点媒体の蒸気と蒸発残液とに気液分離する気液分離工程と、
前記気液分離工程で分離した前記低沸点媒体の蒸気の運動エネルギーをタービンの回転軸の回転エネルギーに変換する変換工程と、
前記変換工程において運動エネルギーの一部を前記回転軸の回転エネルギーに変換した前記低沸点媒体の蒸気を凝縮させる凝縮工程と、
前記低沸点媒体の蒸気の凝縮物と、前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液との混合物よりなる液状の低沸点媒体を前記蒸発工程に供する循環工程と、
を含み、
前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを有し、
前記タービンの前記ケーシング内には、第１媒体よりなる冷却液が流通され、
前記バイナリー発電システムでは、
前記タービンの前記ケーシング内からの前記冷却液の流出による前記液状の低沸点媒体中の第１媒体の量の増加を検出し、
検出した前記第１媒体の増加量に基づき、前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液を抜き出して前記液状の低沸点媒体中の増加した前記第１媒体の量を減少させる、
ことを特徴とする、バイナリー発電システムの運転方法。
前記気液分離工程で分離した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量を測定し、
検出した前記第１媒体の増加量と、測定した前記蒸発残液中の前記第１媒体の量とに基づき、前記蒸発残液の抜き出し量を決定することを特徴とする、請求項４に記載のバイナリー発電システムの運転方法。
前記バイナリー発電システムが、抜き出した前記蒸発残液を貯留する蒸発残液タンクと、当該蒸発残液タンクに設けられたレベル計と、前記蒸発残液タンクから前記蒸発残液を排出する排出装置とを備え、
前記レベル計で測定した前記蒸発残液タンクの液位変動に基づいて前記蒸発残液の抜き出し量を制御する、ことを特徴とする請求項４または５に記載のバイナリー発電システムの運転方法。