JPH09177509A - 冷熱発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温液体の冷熱エネルギーの回収効率を大幅
に高め、且つ高圧の気化ガスを供給できるようにする。 【解決手段】 圧縮機１とタービン２と発電機３とを同
軸に備え、圧縮機出口４の中間媒体５をタービン入口６
に供給してタービン２を駆動し、タービン出口７の中間
媒体５を圧縮機入口８に供給して圧縮を行う閉ループ９
を構成し、閉ループ９における圧縮機入口８に、低温液
体１０と熱交換して低温液体１０の気化と中間媒体５の
冷却を行う冷却器１１を配置し、且つタービン入口６
に、外部高温流体１３と熱交換して中間媒体５の加熱を
行う加熱器１４を配置し、更に圧縮機出口４と加熱器１
４との間に、圧縮機出口４からの中間媒体５をタービン
出口７からの中間媒体５と熱交換して加熱器１４に導く
再生式熱交換器１２を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＮＧ等の低温液
体の冷熱を利用して発電を行うようにした冷熱発電設備
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＬＮＧ等の低温液体の冷熱を
利用して発電を行うようにした設備として、直接膨張発
電システム、或いは中間媒体利用ランキンシステム等が
考えられている。

【０００３】図４は直接膨張発電システムを示したもの
で、ＬＮＧからなる低温液体ａを、海水ｂを導入して直
接加熱するようにしている気化器ｃに導いて気化させ、
気化により高圧となった気化ガスｄをタービンｅに供給
することにより発電機ｆを駆動して発電を行い、タービ
ンｅを出た気化ガスｄは海水ｂを導入している再熱器ｇ
により常温まで昇温した後、燃料等として火力発電所等
の利用場所に供給するようになっている。

【０００４】図５は、中間媒体利用ランキンシステムを
示したもので、発電機ｆを同軸に備えたタービンｅのタ
ービン出口ｈとタービン入口ｉとの間を、プロパン等の
炭化水素系の単一或いは混合した中間媒体ｊを循環させ
るようにした閉ループｋにて接続し、該閉ループｋにお
ける前記タービン出口ｈに、ＬＮＧからなる低温液体ａ
を導入することにより前記中間媒体ｊを冷却して液化す
る凝縮器ｌを設け、該凝縮器ｌからの液状の中間媒体ｊ
を冷媒ポンプｍを介して前記凝縮器ｌに再度導いて冷却
した後、海水ｂを導入するようにしてある蒸発器ｎに導
いて海水ｂと熱交換することにより気化させ、気化した
高圧の中間媒体ｊをタービン入口ｉに供給することによ
り発電機ｆを駆動して発電を行わせるようにしている。
また、前記凝縮器ｌにて中間媒体ｊに冷熱が奪われて気
化された気化ガスｄは、海水ｂが供給されている加温器
ｏにより常温まで昇温されて燃料等として火力発電所等
の利用場所に供給されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記図４に示
した従来の直接膨張発電システムは、直接膨張方式であ
るために設備が簡単ではあるが、冷熱エネルギーの回収
が１０％前後と大変低く、冷熱を充分に利用することが
できない問題がある。

【０００６】また、図５に示した中間媒体利用ランキン
システムは、直接膨張発電システムと比較して設備が複
雑となるが、約２０％の冷熱エネルギーの回収が可能と
なる。しかし、まだ２０％程度の回収では冷熱が充分に
利用されているとは言えない。

【０００７】また、近年、ＬＮＧの気化ガスの供給先で
ある大型火力発電所がタービンコンバインドサイクルに
変更されつつあり、高圧のＬＮＧを気化して供給する必
要があり、直接膨張方式では再び高圧に圧縮しなければ
ならず、中間媒体ランキンシステムでも高圧のポンプを
必要とし、システムも複雑になる弱点が出ている。又、
前記図４及び図５に示した従来の方式では高温熱源とし
て海水ｂを利用しているためにＬＮＧを高温の熱媒と熱
交換させて一気に気化させるようなこともできない。こ
のために気化ガスの圧力が低く、高圧の気化ガスをその
まま大型火力発電設備等に供給することができないとい
う問題を有していた。

【０００８】本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもの
で、低温液体の冷熱エネルギーの回収効率を大幅に高め
ることができ、しかも高圧の気化ガスを供給することが
できる冷熱発電設備を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の冷熱発電設備
は、圧縮機とタービンと発電機とを同軸に備え、圧縮機
出口の中間媒体をタービン入口に供給してタービンを駆
動し、タービン出口の中間媒体を圧縮機入口に供給して
圧縮を行う閉ループを構成し、該閉ループにおける前記
圧縮機入口に、低温液体と熱交換して低温液体の気化と
中間媒体の冷却を行う冷却器を配置し、且つ前記タービ
ン入口に、外部高温流体と熱交換して中間媒体の加熱を
行う加熱器を配置し、更に前記圧縮機出口と加熱器との
間に、圧縮機出口からの中間媒体をタービン出口からの
中間媒体と熱交換して加熱器に導く再生式熱交換器を配
置したことを特徴とするものである。

【００１０】また、圧縮機入口、圧縮機出口、及びター
ビン入口に接続させた貯気槽を備えるようにしたり、加
熱器に、オープンサイクルタービン発電設備からの排ガ
ス、火力発電所等の排ガス及び高温蒸気等を外部高温流
体として供給することができる。

【００１１】本発明によれば、環境温度以上に高い外部
高温流体を熱源として加熱器に供給し、低温液体を冷熱
源として冷却器に供給し、圧縮機出口と加熱器との間に
再生式熱交換器を備えた再生型クローズドサイクルター
ビンを構成しているので、システム圧を高く保持でき、
且つ熱源と冷熱源との温度差を大きく取ることができる
ことにより、従来に比して大幅に高い冷熱回収効率を得
ることができる。

【００１２】圧縮機の圧縮比を高めて圧縮機出口温度を
高くすると、再生式熱交換器を経て冷却器に供給される
中間媒体の温度も環境温度以上に高められるので、冷却
器で気化される気化ガスの温度が環境温度まで高めら
れ、環境温度以上での供給となって火力発電所等への供
給が容易となる。

【００１３】また、圧縮機入口、圧縮機出口、及びター
ビン入口に接続された貯気槽を備えると、閉ループのシ
ステム圧の調整、中間媒体の貯蔵の他、タービンを始動
する時に用いることができる。

【００１４】更に、外部高温流体に、オープンサイクル
タービン発電設備からの排ガス、火力発電所等の排ガス
及び高温蒸気等を利用すれば、該オープンサイクルター
ビン発電設備からの排ガスは高い値で温度が一定してい
るので、システム全体の効率を安定して高めることがで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
示例と共に説明する。

【００１６】図１は、本発明を実施する形態の一例を示
したもので、圧縮機１とタービン２と発電機３とを同軸
に備え、圧縮機出口４の中間媒体５をタービン入口６に
供給してタービン２を駆動し、且つタービン出口７の中
間媒体５を圧縮機入口８に供給して圧縮機１により圧縮
を行う閉ループ９を構成している。前記中間媒体５とし
ては、空気以外に、窒素、ＣＯ₂、Ａｒ、Ｈｅ等の反応
性の無い気体を適用することができる。

【００１７】前記閉ループ９における前記圧縮機入口８
に、ＬＮＧ等の低温液体１０と熱交換して低温液体１０
の気化と中間媒体５の冷却を行う冷却器１１を配置す
る。

【００１８】また、閉ループ９における圧縮機出口４と
タービン出口７との間には、圧縮機出口４の中間媒体５
の加熱とタービン出口７の中間媒体５の冷却を行う再生
式熱交換器１２を配置する。

【００１９】同様に、タービン入口６と再生式熱交換器
１２との間には、環境温度より高い例えば数百度の外部
高温流体１３と熱交換して中間媒体５の加熱を行う加熱
器１４を配置する。また、タービン入口６と前記加熱器
１４との間には、補助加熱器１５を配置する。

【００２０】更に、前記構成において、圧縮機入口８、
圧縮機出口４、及びタービン入口６の夫々に、調節弁１
６を介して接続した貯気槽１７を備える。図中１８は低
温液体１０が冷却器１１において中間媒体５を冷却する
際に自身が加熱されて気化した気化ガスを示す。

【００２１】更に、図１の場合は、外部高温流体１３と
して、オープンサイクルタービン発電設備１９からのタ
ービン排ガスを利用した場合を示したもので、オープン
サイクルタービン発電設備１９は、大気２０を吸入して
圧縮する圧縮機２１とタービン２２と発電機２３とを同
軸に備え、圧縮機２１からの圧縮空気２４に燃焼器２５
にて燃料２６を供給して燃焼させ、燃焼により生じた高
圧ガス２７によりタービン２２を駆動して発電機２３に
よる発電を行うようにしており、前記タービンからの外
部高温流体１３を前記加熱器１４に供給するようにして
いる。図中１３ａは煙突を示す。

【００２２】次に、図１の実施の形態の作用を、図２に
示した縦軸がエンタルピを横軸がエントロピを表すＨ−
Ｓ線図を例にとって説明する。

【００２３】図２は、図１の冷熱源である低温液体１０
が１１０゜Ｋ（−１６３゜Ｃ）のＬＮＧであり、外部高
温流体１３がオープンサイクルタービン発電設備１９に
おけるタービン２２からの排ガス、例えば８１０゜Ｋ
（５３７゜Ｃ）を利用した場合の一例を示したものであ
るが、閉ループ９内での温度は、各装置機器の設計機
能、熱交換性能等によって大きく変化するものであり、
よって図２に示す温度は単なる説明上の一例であって、
本発明がこの数値に何等限定されるものではない。

【００２４】圧縮機１には１２０゜Ｋに冷却された中間
媒体５が導入されて圧縮され、例えば２１４．４゜Ｋと
なって圧縮機出口４から再生式熱交換器１２に導かれ、
タービン出口７からの５３４．６゜Ｋの中間媒体５と熱
交換して加熱され、５０２．６゜Ｋとなった後、８１０
゜Ｋの外部高温流体１３が導入されている加熱器１４に
導かれて８００゜Ｋに加熱され高圧の中間媒体５とな
る。高温高圧となった中間媒体５はタービン入口６に供
給されて膨張し、タービン２を駆動することにより、圧
縮機１を駆動すると共に、発電機を３を駆動して発電を
行う。

【００２５】タービン２で仕事を行った後の中間媒体５
は、５３４．６゜Ｋとなって再生式熱交換器１２に導か
れて前記圧縮機出口４からの２１４．４゜Ｋの中間媒体
と熱交換して冷却される（冷熱を閉ループ９内に回収す
る）ことにより２４６．４゜Ｋに冷却された後、冷却器
１１に導かれて１１０゜Ｋの低温液体（ＬＮＧ）１０と
熱交換されることにより１２０゜Ｋに冷却されて再び圧
縮機入口８に導かれる。

【００２６】前記低温液体（ＬＮＧ）１０は、冷却器１
１で加熱されることにより、常温（３００゜Ｋ）付近の
気化ガス１８となって大型発電設備所等に供給される。

【００２７】図１に示したクローズドサイクルでは、閉
ループ９のシステム圧を高く保持することができ、よっ
て比出力の増加と、熱交換を行う各機器１１，１２，１
４の圧力損失の低下を図ることができる。このとき、温
度効率が９０％前後の再生式熱交換器１２を採用する
と、中間媒体５を空気とした場合には、オープンサイク
ルタービン設備の場合に比して圧縮機１の圧力比を１／
１０近くまで低減することができ、よって圧縮効率の向
上が図れる。即ち、圧縮機１の低圧力比では低温度比で
も高い圧縮効率が得られることが知られている。

【００２８】従って、前記したように、オープンサイク
ルタービン発電設備１９の排ガスの廃熱を熱源として加
熱器１４に供給し、低温液体１０を冷熱源として冷却器
１１に供給し、圧縮機出口４とタービン出口７との間に
再生式熱交換器１２を備えた再生型クローズドサイクル
タービンを構成しているので、前記外部高温流体１３の
温度が例えば８１０゜Ｋの値に安定しており、前記熱源
と冷熱源との温度差を非常に大きく取ることができるの
で、外部高温流体１３のエネルギーを全く余剰のエネル
ギーとして計算に含めなければ、理論的には１００％以
上の冷熱回収効率を得ることができる。また、オープン
サイクルタービン発電設備１９の前記排ガスを含めた総
合効率でも、４０％を越える値となる。これは、この規
模の既存のオープンサイクルタービン・蒸気サイクルタ
ービンのコンバインドサイクルプラントにおける排ガス
廃熱利用動力変換効率が２０％程度であるのに対し、こ
れを大きく上回るものである。

【００２９】また、閉ループ９における中間媒体５とし
て、空気、窒素、ＣＯ₂、Ａｒ、Ｈｅ等の反応性の無い
気体を用いるようにしているので、従来の中間媒体利用
ランキンシステムのように炭化水素系媒体を用いた場合
における発火の危険性がなく、よってオープンサイクル
タービン発電設備１９等の高温排ガスから直接安全に廃
熱回収を行うことができる。また、クローズドサイクル
を構成しているので、水蒸気の氷結の問題を生じること
もない。

【００３０】これに対して図３は、圧縮機１の圧縮比を
πｃ＝１７．４３と高めた場合を示しており、圧縮機出
口４の温度が２９８．３゜Ｋとなって環境温度３００゜
Ｋに近い温度となるため、閉ループ９のシステム圧を高
くして比出力を増加し、熱交換を行う各機器１１，１
２，１４の圧力損失をさらに低下させることができる。

【００３１】更に、図３の場合では、圧縮機１出口の温
度が２９８．３゜Ｋと高くなることにより、再生式熱交
換器１２を経て冷却器１１に供給される中間媒体５の温
度も環境温度より高い３１８．３゜Ｋと高められること
になるので、冷却器１１に供給されるＬＮＧからなる低
温液体１０が冷熱を放出することによって気化される気
化ガス１８の温度が環境温度に高められるので、火力発
電所等への供給が容易となる。

【００３２】一方、圧縮機１の圧縮比を更に高くする
と、再生式熱交換器１２から冷却器１１に供給される中
間媒体５の温度が環境温度より更に高くなるので、この
場合には環境温度以上分の温度を環境冷熱（例えば冷却
水）で冷却することにより効率の増加を図ることができ
る。

【００３３】図１の構成では、圧縮機入口８、圧縮機出
口４、及びタービン入口６の夫々に、調節弁１６を介し
て貯気槽１７を接続しているので、閉ループ９のシステ
ム圧の調整、中間媒体５の貯蔵の他、タービン２を始動
する時に用いることができる。

【００３４】図１では、外部高温流体１３の高温源に、
オープンサイクルタービン発電設備１９からの排ガスを
用いた場合を示したが、これ以外にも発電所から出るボ
イラ排ガスならびに高温蒸気等を用いることができ、更
に、加熱器１４に導入される外部高温流体１３の温度が
変動したり、或いは高い温度が得られない場合には、加
熱源を有した補助加熱器１５を備えることにより、ター
ビン入口６の中間媒体５を加熱して常に所定の温度を安
定して保持させるように調節することができる。

【００３５】また、前述においては、低温液体１０がＬ
ＮＧの場合について説明したが、それ以外にも液体水
素、液体窒素、液体酸素等を気化させて供給するように
している設備の冷熱を回収して利用する場合にも適用す
ることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の冷熱発電設備によれば、環境温
度以上に高い外部高温流体を熱源として加熱器に供給
し、低温液体を冷熱源として冷却器に供給し、圧縮機出
口と加熱器との間に再生式熱交換器を備えた再生型クロ
ーズドサイクルタービンを構成しているので、システム
圧を高く保持でき、且つ熱源と冷熱源との温度差を大き
く取ることができることにより、従来に比して大幅に高
い冷熱回収効率を得ることができる。

【００３７】圧縮機の圧縮比を高めて圧縮機出口温度を
高くすると、再生式熱交換器を経て冷却器に供給される
中間媒体の温度も環境温度以上に高められるので、冷却
器で気化される気化ガスの温度が環境温度まで高められ
るので、火力発電所等への供給が容易となる。

【００３８】また、圧縮機入口、圧縮機出口、及びター
ビン入口に接続された貯気槽を備えると、閉ループのシ
ステム圧の調整、中間媒体の貯蔵の他、タービンを始動
する時に用いることができる。

【００３９】更に、外部高温流体に、オープンサイクル
タービン発電設備からの排ガス、火力発電所の排ガス、
高温蒸気等を利用すれば、該オープンサイクルタービン
発電設備からの排ガスは高い値で温度が一定しているの
で、システム全体の効率を安定して高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する形態の一例を示す系統図であ
る。

【図２】図１の装置の作用の一例を示すＨ−Ｓ線図であ
る。

【図３】図２の他の例を示すＨ−Ｓ線図である。

【図４】従来の直接膨張発電システムの系統図である。

【図５】従来の中間媒体利用ランキンシステムの系統図
である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ タービン ３ 発電機 ４ 圧縮機出口 ５ 中間媒体 ６ タービン入口 ７ タービン出口 ８ 圧縮機入口 ９ 閉ループ １０ 低温液体 １１ 冷却器 １２ 再生式熱交換器 １３ 外部高温流体 １４ 加熱器 １７ 貯気槽 １９ オープンサイクルタービン発電設備

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機とタービンと発電機とを同軸に備
   え、圧縮機出口の中間媒体をタービン入口に供給してタ
   ービンを駆動し、タービン出口の中間媒体を圧縮機入口
   に供給して圧縮を行う閉ループを構成し、該閉ループに
   おける前記圧縮機入口に、低温液体と熱交換して低温液
   体の気化と中間媒体の冷却を行う冷却器を配置し、且つ
   前記タービン入口に、外部高温流体と熱交換して中間媒
   体の加熱を行う加熱器を配置し、更に前記圧縮機出口と
   加熱器との間に、圧縮機出口からの中間媒体をタービン
   出口からの中間媒体と熱交換して加熱器に導く再生式熱
   交換器を配置したことを特徴とする冷熱発電設備。
2. 【請求項２】 圧縮機入口、圧縮機出口、及びタービン
   入口に接続させた貯気槽を備えていることを特徴とする
   請求項１に記載の冷熱発電設備。
3. 【請求項３】 加熱器に、オープンサイクルタービン発
   電設備からの排ガス、火力発電所等の排ガス及び高温蒸
   気等を外部高温流体として供給していることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の冷熱発電設備。