JPH01208502A

JPH01208502A - ランキンサイクル装置

Info

Publication number: JPH01208502A
Application number: JP63030648A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Koujirou Yamada; 山田　紘二郎; Shigeyoshi Kawano; 川野　滋祥; Hiroyuki Kako; 宏行加来; Tsuneo Narita; 成田　恒雄; Ikuo Kotaka; 高鷹　生男
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-22
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: JP2896423B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ボイラで発生させた蒸気で駆動する蒸気原動
機の出力を増加するに好適なランキンサイクル装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来のランキンサイクル装置は、第７図に示されるよう
に、基本的にはボイラ１、蒸気原動機３、復水器４．給
水ポンプ５から構成されている（日本機械学会；機械工
学便覧、改訂第６版、１ｌ−６２）。このボイラ１には
一般的に過熱器２が設置されている。

ボイラ１は駆動流体を加熱して蒸気を発生するものであ
る。このボイラ１から発生した高温高圧の飽和水蒸気８
は、過熱器２に導かれ、更に高温の高圧水蒸気９となっ
て蒸気原動機３へ導かれる。

蒸気原動機３へ導かれた水蒸気９は、蒸気原動機３内で
膨張して該蒸気原動機３を駆動し、低温低圧の水蒸気１
０となり、復水器４へ導かれる。復水器４へ導かれた水
蒸気１０は、冷却水１３によってで冷却され、凝縮水１
１となって返送ラインを流れる。この水１２は、給水ポ
ンプ５によって加圧され、ボイラ１へ戻される。

蒸気原動所の熱効率ηはボイラ１における受熱量に対す
る蒸気原動機３の出力で定義される。第７図に示すよう
な基本的サイクルにおいて、熱効率ηの向上には、つぎ
の２方法がある。

（１）　　蒸気原動機へ供給される水蒸気９の湿度、圧
力を高くする。

（２）蒸気原動機から排出される水蒸気１０の温度、圧
力を低くする。

しかし、前者の方法は、ボイラ構造材の耐熱強度の問題
から、蒸気原動機へ供給する水蒸気９の最高温度は５３
８〜５６６℃、最高圧力２４６ａｔｇ　（日本機械学会
；機械工学便覧；改訂第６版、１３−１２１）が限界と
なっており、これら温度及び圧力より高くなることは少
ない。したがって。

蒸気原動機へ供給される水蒸気９の温度、圧力の増加に
よる熱効率の増加は、限界に来ている。

蒸気原動機３から排出される水蒸気１０の温度・圧力は
冷却水１３の温度で決まる。水蒸気１０の圧力は１通常
冷却水１３の温度プラス５〜１０℃における水蒸気の飽
和圧力である。このときの水蒸気１０の温度は高温・高
圧の水蒸気９が、水蒸気１０の圧力まで膨張したときの
温度となる。これより、蒸気原動機３出口の水蒸気１０
の温度、圧力を低くすること（前記（２））による熱効
率の増大には、低温の冷却水を得る必要があり、低湿の
冷却水のない場合は、出力の増加が期待できない状態に
あった。

他の従来例としてカリーナサイクルが挙げられる。これ
は冷温の冷却水を必要としないサイクルであり、アンモ
ニアをこの蒸気原動機の駆動媒体とし、この駆動媒体を
水で吸収することにより蒸気原動機３出口の圧力、温度
を低下するものである（例えば、ＭＰ′Ｓ　　ＲＥＶＩ
ＥＷ：ＪＡＮＵＡＲＹ　　１９８７；１９−２３）。

第８図にカリーナサイクルのフローを示す、このサイク
ルは、ボイラ１８．蒸気原動機２０、加熱器２１．吸収
式復水器２２）フラッシュタンク２３、復水器２４、給
液ポンプ２５，２６から構成されている。ボイラ１８内
には過熱器１９が設置される。駆動流体は、詳しくは、
アンモニアと水の混合流体である（アンモニア水を沸騰
させると、共沸し、アンモニアに水蒸気が含まれる）。

ボイラ１８から発生した高温高圧のアンモニアガス＋水
蒸気２７は、過熱器１９へ導かれ、更に高温の高圧アン
モニアガス＋水蒸気２８の混合ガスとなって蒸気原動機
２０へ導かれる。蒸気原動機２０へ導かれたアンモニア
ガス＋水蒸気２８は。

蒸気原動機２０内で膨張して低温低圧のアンモニアガス
＋水蒸気２９となり、加熱器２１へ導かれる。加熱器２
１へ導かれたアンモニアガス＋水蒸気２９は、吸収式復
水器２２から出たアンモニア水３３を加熱沸騰させ、自
らは大部分が凝縮してアンモニア水＋アンモニアガス３
０となり、吸収式復水器２２へ導かれる。そして、気体
として残ったアンモニアガスは低濃度のアンモニア水３
５に吸収させる。このときの吸収熱は冷却水３７を加熱
し、系外へ出る。吸収式復水器２２において、アンモニ
アガスを吸収した低濃度のアンモニア水３５は加熱器２
１からのアンモニア水＋アンモニアガス３０と混合した
後、給液ポンプ２５によって大部分が加熱器２１へ移送
され、高温のアンモニアガス＋水蒸気２９からの加熱に
よってアンモニアガス＋アンモニア水３４となり、フラ
ッシュタンク２３へ導かれる。フラッシュタンク２３へ
導かれたアンモニア水子アンモニアガス３４は、フラシ
ュ蒸発によってアンモニアガス＋水蒸気３６と低濃度の
アンモニア水３５に分離され、それぞれ、復水器２４、
吸収式復水器２２へ導かれる。

復水器２４に導かれたアンモニアガス＋水蒸気３　　　
　′６は、冷却水３８に熱を奪われて凝縮する。この凝
縮液はアンモニア濃度が高いため、濃度調整を目的とし
て吸収式復水器２２からの低濃度アンモニア水３２が混
入される。復水器２４で濃度調整されたアンモニア水３
９は、給液ポンプ２６によってボイラ１８へ供給される
。

この従来技術になるカリーナサイクルは、可燃性、毒性
（０，５〜１％容積比の濃度で３０分以内に致命的害毒
を及ぼす）を有するアンモニアを使用している。また、
第８図に示すように、複雑な構成フローをしていること
から、実用化には幾上記従来技術のうち、前者のランキ
ンサイクルは、ボイラ１及び蒸気原動機３の構造材の耐
熱性の問題あるいは復水器の冷却水の温度低下にも限界
があること等から、現状の発電効率を上回ることが困難
な状況にある。また、上記従来技術のうち、後者のカリ
ーナサイクルは、熱効率の向上が期待できるが、複雑な
構成フローとアンモニアの取り扱いから、実用化には幾
多の問題を解決する必要がある。

本発明の目的は、簡単な構成フローによって、蒸気原動
機から排出される駆動媒体である蒸気の温度、圧力を低
下し、これにより、蒸気原動機の熱効率ηの向上が期待
できるランキンサイクル装本発明は、蒸気原動機を駆動
する蒸気とこの蒸気を吸収した吸収剤溶液を加熱して蒸
気を発生するボイラと、前記蒸気が導入されて駆動する
蒸気原動機と、この蒸気原動機を通過した蒸気が導入さ
れて該蒸気を前記吸収剤溶液に吸収させる復水器（以下
、吸収式復水器と称す）と、この吸収式復水器を出た駆
動流体を前記ボイラに返送する返送ラインと、前記吸収
剤溶液を沸騰状態において混在しにくい成分の組合せか
らなる溶液とし、ボイラの出口に蒸気を発生した残りの
前記吸収剤溶液を前記吸収式復水器に導入して前記蒸気
と気液接触させる分岐ラインを設けたものである。

すなわち、吸収式復水器を有するランキンサイクルを構
成すること、蒸気原動機の駆動媒体である蒸気とこの蒸
気を吸収する吸収剤溶液の組み合わせである駆動流体に
は、沸騰状態において混在しにくいもの、例えば、水と
臭化リチウムとの組み合わせ等を用いること、吸収式復
水器から排出される吸収剤溶液の各成分への分離及び再
生をボイラにおいて行うものである。

【作用〕

蒸気原動機を駆動する蒸気を吸収剤溶液を用いて吸収す
るため、蒸気ＪＪＦｌＪＩＪ機出口の温度機工口が低下
し、蒸気原動所の熱効率が向上する。蒸気原動機の駆動
媒体である蒸気と吸収剤溶液の組合せが、沸騰状態にお
いて混在しにくいことから、第８図のカリーナサイクル
の構成のような濃度調整用配管系が不要であり、また、
加熱器２１、フラッシュタンク２３、復水器２４が不要
となる。

尚、蒸気と吸収剤溶液の組合せに水蒸気と臭化リチウム
溶液の組み合わせ等を用いると、ボイラを中心に腐食の
問題が発生する。しかし、この腐食問題に対しては、臭
化リチウム溶液への水酸化リチウムの添加量を増加する
こと、ボイラ構成材にクロムを有する材料（例えば５Ｕ
Ｓ３０４）を用いることにより対策できる。また、蒸気
原動機へ供給する蒸気に臭化リチウムが同伴しないよう
に、ボイラにおいて気液分離を十分に行う必要がある。

この問題に対して、ドラムの液面上に十分な蒸気室を設
けることバッフルプレート、サイクロン又は、ワイヤメ
ツシュ等の気液分離機器を取り付けることにより対策可
能である。

〔実施例〕

第１図に本発明に係る一実施例の吸収式復水器を用いた
ランキンサイクル装置の基本フローを示す、このサイク
ルは、基本的には、ボイラ５ｏ、蒸気原動機５１．吸収
式復水器５２及び給液ポンプ５３から構成される。ボイ
ラ５ｏには、過熱器を設置してもよい。

ボイラ５０には、蒸気原動機５１を駆動する流体の蒸気
を吸収した吸収剤溶液５７が供給され、この吸収剤溶液
５７は、加熱され、沸騰し、吸収していた駆動媒体の蒸
気５４を放出し、濃度が上昇した吸収剤溶液が残る。放
出された蒸気５４は。

蒸気原動機５１へ導かれ、この内部で膨張して蒸気原動
機５１を駆動し、自らは低温低圧の蒸気５５となり、吸
収式復水器５２へ港かれる。ボイラ５０の出口には蒸気
５４を発生した残りの吸収剤溶液を吸収式復水器５２に
導入して前記蒸気５５と気液接触させる分岐ライン６２
が設けられている。すなわち、吸収式復水器５２へ導か
れた蒸気５５は、ボイラ５０から排出された分岐ライン
６２を流れてきた吸収剤溶液７０に気液接触して吸収さ
れる。このときの吸収熱は、冷却水６３に棄てられる。

蒸気５５を吸収した吸収剤溶液５６は、吸収式復水器５
２から排出され、溶液ポンプ５３によってボイラ５０に
戻される。

吸収剤溶液である蒸気と吸収剤の組み合わせは、吸収剤
溶液の沸騰状態において混在しにくい成分の組合せから
成る溶液であればよい、そして、つぎのような性質を有
するものが望ましい。

（１）　　吸収剤溶液は、蒸気の強い吸収力を有する。

（２）　　化学的に安定である。

（３）粘度が低く、熱伝導率が高い。

“（４）毒性がなく、引火性、爆発性の危険が少ない。

この組合せについては、水−臭化リチウム溶液、水−塩
化リチウム溶液、水−水酸化カリウム溶液等が適する。

本発明の一実施例において、水−臭化リチウム溶液の組
み合わせを用いると、蒸気原動機５１の駆動媒体である
蒸気５４．５５は水蒸気となり、吸収剤溶液は臭化リチ
ウム水溶液となる。

以下、水−臭化リチウム溶液の組み合わせを用いて記述
する。第４図に臭化リチウム水溶液のデユーリンク線図
を示す、臭化リチウム水溶液の飽和温度は、臭化リチウ
ム濃度が高くなるに従って、高くなる。吸収剤溶液５６
．５７は、希釈臭化リチウム水溶液となり１分岐ライン
６２中の吸収剤溶液６２は濃縮臭化リチウム水溶液とな
る。

一実施例として、ボイラの圧力が１６ａｔａ、冷却水６
３の温度が４０℃、希釈臭化リチウム水溶液及び濃縮臭
化リチウム水溶液の臭化リチウム濃度を、それぞれ、５
９％、６８％とする。この条件では吸収式復水器５２内
圧力は、第４図の臭化リチウム濃度５９％、温度４０℃
＋αの点Ｃの圧力０．０１ａｔａとなる。

本実施例において、ボイラ５０から発生する水蒸気５４
、濃縮臭化リチウムの温度及び圧力は、第４図のＢ点で
示される。３１０℃、１６ａｔａである。３１０℃、１
６ａｔａの水蒸気は、蒸気原動機５１においてＯ＊　０
１　ａｔａまで断熱膨張するが、このとき、完全な断熱
膨張であると、第６図（水蒸気のエンタルピ・エントロ
ピ線図）に示される点Ｂの状態となる。この点Ｂの状態
は７℃、０．０１ａｔａである。このときの、蒸気原動
機５１の入口及び出口における水蒸気のエンタルピがそ
れぞれ７３０　Ｋｃａｌ　／ｋｔ＜　’（第６図、Ａ点
）、４６５Ｋｃａ　ＩＩ　／　ｋｇ　（第６図、Ｂ点）
であることから、蒸気原動機５１の出力は、ＩＩＡＩｃ
の蒸気流量当たり２６５ＫｃａＱとなる。

一方、第７図に示した従来のランキンサイクル装置では
、ボイラ１から出た水蒸気条件が３１０℃、１６ａｔａ
、復水器４における冷却水１３の温度が４０℃とすると
、復水器４内の圧力は０．１２ａｔａ（飽和湿度５０℃
）となる。このときの、蒸気原動機３の入口及び出口に
おける水蒸気のエンタルピがそれぞれ７３０ＫｃａＱ／
ｋｇ（第６図、Ａ点）　、５３０ＫｃａＱ／ｋｇ　（第
６図、Ｅ点）であることから、蒸気原動機３の出力は、
１ｋｇの蒸気流量当たり２００Ｋｃａｆｆ／−となる。

本発明に係る一実施例においては、蒸気原動機５０＾供
給される蒸気１ｋｇ当りの蒸気原動機出力は、従来例の
２００ＫｃａＱ／−から２６５ＫｃａＡ／−と増加でき
るため著しい熱効率向上効果が得られる。また、過熱器
を設置することなく、過熱蒸気を得ることもできる。こ
のため、従来装置では、起動時において過熱器内を十分
な流量の蒸気が流れるまで低熱負荷で運転する必要があ
ったが。

本発明においては、このような低熱負荷運転が不要とな
る。したがって１本発明は起動時間を短縮できる効果も
得られる。

ところで、第１図に示した実施例では、ボイラ５０にお
ける加熱量が多い欠点を有している。ボイラ５０へ供給
される希釈臭化リチウム溶液（吸収用溶液５７）は低温
であり、ボイラ５０から排出される濃縮臭化リチウム溶
液（吸収剤溶液７０）は高温である。このため、第１図
の実施例では、ボイラ５０において吸収剤溶液５７の溶
液を昇温するために、多くの熱量が必要となっている。

本発明の実施例を第２図に示す０本実施例は、ボイラ５
０へ供給される吸収剤溶液５７をボイラ５０から排出さ
れる吸収剤溶液７０と熱交換するように１分岐ライン６
２と返送ラインとを交叉さ・　　せ、そこに熱交換器６
５を設置したものである。

この熱交換器６５の設置により、ボイラ５０へ供給され
る吸収剤溶液５７の温度は、５０℃から約２５０℃程度
まで高くすることができ、これにより、ボイラ５０の入
熱量は減少させることができ、熱効率が高くなる。

表１に、従来技術によるランキンサイクルと本発明に係
る実施例の第１図と第２図（熱交換器付き）の吸収式復
水器ランキンサイクルの性能を比較して示す。

表１に示すように、本発明に係る熱交換器を有する吸収
式復水器ランキンサイクルの熱効率は従来のランキンサ
イクルの熱効率２９％より高い３７％である。

本発明の更に他実施例を第３図に示す。本実施例は、ボ
イラ５０から吸収式復水器５２へ流れる濃縮吸収剤溶液
７０の分岐ライン６２に液体タービン６６、吸収式復水
器５２からボイラ５０へ流れる希釈吸収剤溶液である吸
収剤溶液５７の返送ラインにポンプ６７を設置し、この
液体タービン６６の出力をポンプ６７の動力として使用
するものである。

本実施例によれば、吸収式復水器５２からボイラへの吸
収剤溶液５７の輸送動力の約７０％を液体タービン６６
とポンプの６７の組み合わせによって賄うことができる
ことから、給液ポンプ５３の容量を前記第１図及び第２
図に示した実施例の約３０％に減少できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蒸気原動機出口の蒸気の温度・圧力を
従来のランキンサイクルに比較して低下できることから
、蒸気原動機の出力を大幅に増加できる効果がある。ま
た、この蒸気原動所のボイラには、場合によって、過熱
器の設置が不要となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るランキンサイクル装置の一実施例
の基本構成図、第２Ｉ５１ｉＩ及び第３図は本発明に係
る各々異なる実施例の基本構成図、第４図は臭化リチウ
ム溶液のデユーリング線図、第５図はエンタルピー線図
、第６図は水蒸気のエントロピー・エンタルピ線図、第
７図及び第８図は各々異なる従来技術の基本構成図であ
る。５０・・・ボイラ、５１・・・蒸気原動機、５２・・・
復水器、５４．５５・・・蒸気（駆動媒体）、５６．５
７・・・吸収剤溶液、６２・・・分岐ライン、６５・・
・熱交換器、６６・・・液体タービン、６７・・・ポン
プ、７０・・・吸収剤溶液。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）蒸気原動機を駆動する蒸気と、この蒸気を吸収し
た吸収剤溶液を加熱して前記蒸気を発生するボイラと、
前記蒸気が導入されて駆動する蒸気原動機と、この蒸気
原動機を通過した蒸気が導入されて該蒸気を前記吸収剤
溶液に吸収する復水器と、この復水器を出た吸収剤溶液
を前記ボイラに返送する返送ラインと、前記駆動流体を
沸騰状態において混在しにくい成分の組合せからなる溶
液とし、ボイラの出口に蒸気を発生した残りの前記吸収
剤溶液を前記復水器に導入して前記蒸気と気液接触させ
る分岐ラインを設けたことを特徴とするランキンサイク
ル装置。
（２）特許請求の範囲第１項において、吸収剤溶液は水
と臭化リチウム又は塩化リチウムの組合せからなる溶液
であるランキンサイクル装置。
（３）特許請求の範囲第１項において、分岐ラインと返
送ラインとを熱交換器を介して交叉させたランキンサイ
クル装置。
（４）特許請求の範囲第１項において、分岐ライン中に
液体タービンを配設し、返送ライン中に前記液体タービ
ンの出力で駆動するポンプを設けたランキンサイクル装
置。