JPS5848732B2 - 電力発生方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電力発生方法およびその装置、殊にこれら方
法および装置に使用される熱水原動機に関する。

加圧熱水がフラッシュして得られる蒸気と熱水の両方に
より作動する原動機をトータルフローエナージマシンと
いうが、このようなマシンにはスクリューエキスパンダ
ーなど色々考えられ、その適用分野として熱水式地熱発
電と熱水原動機等があり、最近低熱源利用で要求が高ま
ってきている。

さて、従来の熱水原動機として同一出願人に係る特願昭
５０−６８５４１号（特開昭５１−１４４８１号公報）
に記載されているものがあり、その内容は加圧高温熱水
をスクリューエキスパンダー等で膨脹させ、発生した蒸
気を蒸気タービンに導くものである。

しかし、スクリューエキスパンダーには次のような欠点
があり、その適用に限界がある。

即ち、■構造が複雑であり信頼性が十分でない。

■発生する蒸気と熱水の分離効率が悪く、蒸気タービン
に水滴がキャリーオーバーし蒸気タービンの性能低下、
スケール付着、ドレンエロージョン等を起し易い。

■容積形の機械であるから大容量化が困難である。

このようなスクリューエキスパンダーの欠点のために、
スクリューエキスパンダーを使用した熱水原動機は比較
的小容量のクローズドサイクル式熱水原動機には適して
いるが、大容量化と不純物の多い熱水の利用には問題が
あった。

地熱発電の場合、加圧熱水をトータルフローエナージマ
シンで減圧膨脹させ動力を取り出し、発生した蒸気を蒸
気タービンに導き更に低圧低温まで膨脹させ動力を取り
出す点は同じであるが、一度仕事をした熱水は排出して
しまういわゆるオープンサイクルである。

地熱の場合、トータルフローエナージマシンとしてスク
リューエキスパンダーを使用することも可能であるが、
熱水中にスケール生成物質が多量に含まれているため蒸
気と熱水の分離効率が悪いと蒸気タービンにスケールが
付着するので好しくない。

従って、蒸気と熱水の分離効率が良く、大容量化カ容易
で信頼性の高いトータルフローエナージマシンが得られ
るならば、クローズドサイクル式熱水原動機のみならず
熱水式地熱発電にも役立つ。

本発明は、そのような条件を満足するようにトータルフ
ローエナージマシンを改良して最適な電力発生方法およ
びその装置を提供するものである。

本発明において使用されるトータルフローエナージマシ
ンは熱水と蒸気の混合流を羽根に吹き付けて羽根車を回
転するもので、以下フラッシュタービンと命名する。

フラッシュタービンとしては、接線流式と軸流式との両
型式が考えられ、前者の構造を第１図及び第２図に例示
し、後者の構造を第５図及び第６図に例示している。

最初に、第１図及び第２図を参照して本発明によって使
用する接線流式フラッシュタービンの一例について説明
する。

加圧熱水は、図示していない供給源から熱水入口管１を
経て蒸気熱水混合ノズル２の中で減圧された蒸気熱水混
合噴流ａとなる。

蒸気熱水混合ノズル２より噴出する高速の蒸気熱水混合
噴流ａは回転羽根３に接線方向に流入し、回転羽根３及
びこれと一体のディスク７と回転軸８を回転させる。

回転羽根の間に流入した蒸気熱水混合噴流ａは最初は蒸
気熱水混合体ｂであるが、遠心力の作用により熱水Ｃが
外周に集まり、蒸気ｄが内周に集まられ蒸気と熱水が分
離される。

回転羽根３の外周には、車室外壁４が熱水Ｃと蒸気ｄが
外周に飛散するのを防止するように設けてある。

車室外壁４の最下部には開口部が設けてあり、分離され
た熱水Ｃを回転羽根３の外に排出する。

回転羽根３の内周には車室内壁５を蒸気熱水混合ノズル
２人口部に位置するように設け、熱水蒸気混合体ｂが回
転羽根３の内側に流出するのを防止する。

熱水と蒸気が分離されたのちは、蒸気ｄが回転羽根３の
内側に流れ得るように、その他の部分では回転羽根３の
内側は開口している。

回転羽根３の両側面には車室側壁６が全周に設けられ、
回転羽根３の側面からの蒸気熱水の漏洩を防止する。

車室側壁６の内直径は回転羽根３の内直径より小さくし
、蒸気ｄは回転羽根３の内周で旋回し、遠心力で水滴を
より完全に分離されたのち、車室側壁６の内径より両側
に流出し、更に上方に上昇し蒸気出口１０より流出する
。

蒸気出口１０より得られる蒸気は水分なほｇ完全に分離
した飽和蒸気であって、蒸気タービンに導き、更に低圧
力まで仕事をさせることが出来る。

熱水Ｃは集められて排水出口１１より排出される。

フラッシュタービンは圧力容器９の中に納められ、１つ
の圧力容器９の中に１組又は数組の回転羽根が１本の回
転軸８にディスク７で取付けられる。

回転軸８は軸受１３で支えられ、圧力容器９を貫通する
部分にはシール１２が設げられ漏洩を防止する。

回転軸８は、カンプリング１４により結合された発電機
を駆動する。

以上接線流式フランシュタービンの場合の構造と作用を
説明したが、要するに加圧熱水より高速の蒸気熱水混合
噴流を作り、これを回転羽根にぷつげてその衝動により
回転羽根を回転させ、回転羽根の間の空間に入った蒸気
熱水混合流体を遠心力により熱水と蒸気に分離し、この
蒸気を回転羽根の内周から、又熱水を回転羽根の外周か
らそれぞれ取出すことにより、水分の良く分離された蒸
気を得ると同時に動力を得るものである。

上記の説明の構造は一見水車と良く似た構造であるが、
これは単に圧力差を利用して回転する水車とは異り、熱
落差を利用して動力を得るものであり、得られる動力は
はるかに太きいものである。

次に、それを定量的に説明する。

第３図は第１及び２図に示したフラッシュタービンを使
用した本発明による地熱発電系統の一例を示す。

第３図において、１５は地熱井、１６ａは第１段フラン
シュタービン、１６ｂは第２段フラッシュタービン、１
７は還元井、１８は複数段を有する蒸気タービン、ｉ
９ ａ ｔ １ ９ ｂ ｔ １ ９ ｃはそれぞれ第
１段フラッシュタービン１６ａ１第２段フラッシュター
ビン１６ｂ１蒸気タービン１８の各回転軸に連結した発
電機を示す。

第１段フランシュタービン１６ａにおいてそのディスク
を駆動するのに坪用された水は導管３０を通して第２段
フランシュタービン１６ｂへ供給される。

流体がこれら第１及び２段のフランシュタービン１６ａ
及び１６ｂの各ノズル３１ａ及び３ｌｂを通る結果とし
て発生した蒸気はそれぞれ導管３２ａ及び３２ｂを通し
て蒸気タービン１８の第１及び２段に供給され、これら
蒸気は蒸気タービン１８の回転軸に連結したタービンホ
イールを通して流れて同ホイールを回転させる。

しかして、例えば１８０℃の飽和熱水（圧力１ ０．
２ ａｔａ ）が４０００Ｔ／Ｈあったとし、これを１
４３℃（圧力４．Ｏａｔａ）、１０３．５℃（圧力１．
１ ７ ａｔａ ）に２段フラッシュさせて得られる蒸
気３２０Ｔ／Ｈと２７９Ｔ／Ｈで復水式飽和蒸気タービ
ンを駆動すれば、約５００００κＷの動力を得ることが
出来る。

この方法は既に開発されダブルフラッシュ式地熱発電で
実用化されつ瓦ある。

これに対して、本発明によれば、第１及び２図に示した
フラッシュタービンを各フラッシュ段落に用いることに
よって得られる動力を求めると、次のようになる。

（１）第１段フランシュタービン 入口圧力 １ ０． ２ ａｔａ，温度１８０℃出口圧
力 ４．４ ａｔａ （圧力損失１０％とする）熱水入
口エンタルピー １８２２６７ Ｋｃａｌ／ｋｇ 等エントロピー線上の出口、蒸気熱水混合流体のエンタ
ルピー１ ８ ０ ７ ８ ２ Ｋｃａｌ ｌｋ９、断
熱熱落差＝１８２２６７−１８０７８２＝１４８５Ｋｃ
ａｌ／ｋｇよって、蒸気熱水混合噴流の流速Ｃ＝φＸ９
１．５，／Ｔ７Ｔ丁中１ ０ ０Ｍ／Ｓ （φ一速度係
数）である。

回転羽根の外径を１．０Ｍ及び回転数を６０Ｏｒｐｍと
すると、回転羽根の周速Ｕ＝πＸ１．ＯＸ６００３１．
４Ｍ／Ｓ ６０ 従って、熱水蒸気混合流体は約１００Ｍ／Ｓの流速で流
入し、約３１．４Ｍ／Ｓの流速で流出するので、埋論的
な効率は１一 （ ３ １．４／１ ０ ０ ）２中０．９即ち約９０
％得られるが、諸損失を差引いて約７０％の効率が得ら
れるとして、 である。

動力を回収することにより、フラッシュ蒸気量が減少す
るので蒸気タービンの出力が約９３０ＫＷ減少するので
、これを差引くと正味出力増加３９００ＫＷが得られる
。

（２）第２段フランシュタービン 入口圧力を３．６ ａｔａ （圧力損失１０％とする）
及び出口圧力を１． ３ ａｔａ （圧力損失１１％と
する）として、同様の計算をすると、フラッシュタービ
ン出力は５１３０ＫＷ及び蒸気タービン出力減少は５７
０ＫＷとなり、従って正味出力増加は４５６０ＫＷとな
る。

以上第１段及び第２段を合せると、正味出力増加８４６
０κＷを得ることが出来、これは従来の蒸気タービンの
みにより得られる出力５００００κＷに対して１６．９
％の出力増加に相当する。

第２の例として第１及び２図に示したフラッシュタービ
ンを用いた本発明による熱水原動機サイクルの一例を第
４図に示す。

第４図において、２０は熱交換器、２１は復水器、２２
は蒸気タービン、２２はギヤ、２４は発電機、２５ａは
第１段フラッシュタービン、２５ｂは第２段フランシュ
タービン、２６ａ及び２６ｂはポンプを示し、各フラン
シュタービン２５ａ，２５ｂにおいて流体を動的に膨脹
させるようにし、その結果フラッシュ蒸発によって発生
した蒸気は蒸気タービン２２の各対応する段へ供給され
る。

この熱水サイクルは前述した特開昭５１−１４４８５１
号公報に記載のスクリューエキスパンダーの代りに第１
及び２図に示したフランシュタービンを用いたものであ
って、第３図の地熱発電がオープサイクルであるのに対
して熱交．換器を包含したクローズサイクルになってい
る。

次に、第５図及び第６図を参照して、本発明において使
用する軸流式フラッシュタービンの一例について説明す
る。

作用効果は先に説明した接線流式フラッシュタービンと
同じく、加圧熱水より高速の蒸気熱水混合噴流を作り、
これを回転羽根にぷつげてその衝動により回転羽根を回
転させ、蒸気熱水混合流体を遠心力により熱水と蒸気に
分離し、この蒸気を回転ドラムの内周から又熱水を回転
ドラムの外周からもそれぞれ取り出すことにより、水分
の良く分離された蒸気を得ると同時に動力を得るもので
ある。

第５図において、熱水入口管１′より流入した高温加圧
熱水は蒸気熱水混合ノズル２′で蒸気混合噴流ａ′にな
り、回転羽根３′に当り回転させる。

回転羽根３′はディスク７′に固定され、ディスク７′
は回転軸８′と一体でカンプリング１４′を経て発電機
を駆動する。

回転羽根３′を出た蒸気熱水混合体ｂ′は回転ドラム４
ａ’の内側で遠心力により熱水Ｃ′と蒸気ｄ′に分離
される。

熱水Ｃ′は排水ノズルにより外周に排出され排水出口１
１′より排出される。

蒸気ｄ′は内側より蒸気出口１０′を経て排出される。

回転ドラム４ ａ’には、熱水の流出を防止するために
回転仕切板５ ａ’が付いている。

なお、９′は圧力容器、１２′はシール、１３′は軸受
を示し、更に第６図はその軸流式フラッシュタービン翼
列断面を示し、イは蒸気熱水混合ノズル２′の断面、口
は回転羽根３′の断面及びハは排水ノズル６ａ’の断面
をそれぞれ示している。

以上の説明から明らかなように、本発明において使用す
るフラッシュタービンは、熱水かラ直接動力を取り出す
トータルフローエナージマシンとして信頼性が高く、し
かも出口に於での蒸気と熱水の分離効果が良い。

これにより前述した特開昭５１−１４４８５１号公報に
示した熱水原動機の実現を容易にすることが出来るのみ
ならず、熱水式地熱発電に於で大巾な出力増加を実現す
ることが可能となり、きわめて産業上有益なものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明において使用する接線流式フ
ランシュタービンの一例を示し、第１図は第２図のＡ−
Ａ線断面図及び第２図は第１図のＢ−Ｂ線断面図、第３
図は該フラッシュタービンを使用した本発明による地熱
発電系統の一例を示す図、第４図は該フラッシュタービ
ンを用いた本発明による熱水原動機サイクルの一例を示
す図、第５図は本発明において使用する軸流式フランシ
ュタービンの一例を示す断面図、第６図はその翼列断面
を示し、イは蒸気熱水混合ノズルの断面図、口は回転羽
根の断面図、ハは排水ノズルの断面図である。 １ ， Ｆ・・・・・熱水入口管、２ ， ２’−・・
・・・蒸気熱水混合ノズル、３，３′・・・・・・回転
羽根、４・・・・・・車室外壁、４ａ′・・・・・・回
転ドラム、５・・・・・・車室内壁、５ａ′・・・・・
・回転仕切板、６・・・・・・車室側壁、６ａ′・・・
・・・排出ノズル、７ ， ７’・・・・・ディスク、
８ ， ８’−・・・・・回転軸、９，９′・・・・・
・圧力容器、１ ０ ， １ ０’・・・・・シール、
１３，１３′・・・・・・軸受、１ ４ ， １ ４’
・・・・゜カツプリング、１５・・・・・・地熱井、１
６ａ，１ ６ｂ・・・・・・フランシュタービン、１
７・・・・・・還元井、１８・・・・・・蒸気タービン
、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ−”・発電機、２０−・・・
・・熱交換器、２１・・・・・・復水器、２２・・・・
・・蒸気タービン、２３・・・・・・ギヤ、２４・・・
・・・発電機、２５ａ，２５ｂ・・・・・・フラッシュ
タービン、２６ａ，２６ｂ・・・・・・ポンプ、３０・
・・・・・導管、３ １ ａ ｔ ３ ｌ ｂ・・・゜
゜゜ノズル、３２ａ，３２ｂ・・・・・一導管、ａ，ａ
′・・・・・・蒸気熱水混合噴流、ｂ ， ｂ’−・・
・・・蒸気熱水混合体、Ｃ，Ｃ′・・・・−・熱水、ｄ
， ｄ’・・・・・・蒸気。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱水又は熱水と蒸気との混合流体の供給源を準備１
   −、回転軸に連結したディスクを有するフラッシュター
   ビンに前記混合流体をノズルを通して供給し、同流体が
   前記ノズル内を通ることの結果として同流体の一部分が
   フラッシュ蒸発して蒸気相となり、同流体の水成分が前
   記ノズルによって同ディスクに向けてぶつつげられて同
   ディスクを回転させるようにし、前記フラッシュ蒸発し
   た蒸気を回転軸に連結したタービンホイールを有する蒸
   気タービンの段落へ供給し、同蒸気が蒸気タービンのホ
   イールを通して流れることの結果として同ホイールを回
   転させ、同蒸気タービンの回転軸及び前記フラッシュタ
   ービンの回転軸を発電機に連結して電気を発生させるこ
   とを特徴とする電力発生方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記フ
   ラッシュタービンが衝撃型タービンであることを特徴と
   する電力発生方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記フ
   ラッシュタービンおよび蒸気タービンはいずれも複数の
   段を有しており、前記フラッシュタービンの各段に順次
   各前段から流体の水成分を供給し、蒸気タービンの各段
   にフラッシュタービンの対応する段から蒸気を供給する
   ことを特徴とする電力発生方法。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の方
   法において、前記フラッシュタービンの第１段において
   前記ディスクを駆動するのに使用された水をフラッシュ
   タービンの第２段のディスクに向けて衝突させ、同流体
   がノズル内を通る結果として発生した蒸気を前記蒸気タ
   ービンの第２段へ供給することを特徴とする電力発生方
   法。 ５ 熱水又は熱水と蒸気との混合流体を使用することに
   よって電力を発生させる方法において、前記流体を第１
   原動機内において動的に膨脹させて同第１原動機を作動
   させ、同流体の膨脹によってフラッシュ蒸発して発生し
   た蒸気を第２原動機に供給して同第２原動機を作動させ
   ることを特徴とする電力発生方法。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の方法において、前記各
   原動機は２つ以上の段を有し、第１原動機の各段に順次
   各前段から作動流体を供給し、同流体を各段において動
   的に膨脹させ、その結果フラッシュ蒸発して発生した蒸
   気を第２原動機の各対応する段に供給することを特徴と
   する電力発生方法。 ７ 熱水又は熱水と蒸気との混合流体である作動流体源
   と、同作動流体源に連結したノズルを具えたフラッシュ
   タービンを設け、前記ノズルは前記作動流体をフラッシ
   ュタービンのディスクに向けて噴出させて同ディスクを
   回転させると共に、同作動流体が同ノズル内を通過する
   ことの結果として同流体の一部分をフラッシュ蒸発させ
   て蒸気相にさせる働きをするようにし、蒸気タービンを
   設け、前記フラッシュタービン内において発生シた蒸気
   を同蒸気タービンへ供給し、同蒸気が前記蒸気タービン
   内を通過することの結果として、夕一ビンの回転軸を回
   転させるようにする導管を設け、前記蒸気タービンの回
   転軸およびフラッシュタービンの回転軸に発電機を連結
   していることを特徴とする動力発生装置。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の装置において、前記フ
   ランシュターピンが軸流式衝撃型タービンであることを
   特徴とする動力発生装置。 ９ 特許請求の範囲第７項記載の装置において、前記フ
   ラッシュタービンが接線流式衝撃型タービンであること
   を特徴とする動力発生装置。 １０ 特許請求の範囲第７項、第８項又は第９項記載
   の装置において、前記フラッシュタービンはいずれも複
   数の段を有しており、フラッシュタービンの各段は順次
   各前段から前記流体の水成分を供給され、蒸気タービン
   の各段はフラッシュタービンの対応する段から蒸気を供
   給されるように構成したことを特徴とする動力発生装置
   。 １１ 熱水又は熱水と蒸気との混合流体を用いて動力
   を発生させるための装置であって、前記熱水又は熱水と
   蒸気との混合流体を導入し、それを動的に膨脹させ、同
   流体の一部分をフラッシュ蒸発させて蒸気相にさせるた
   めの第１原動機と該フラッシュ蒸発によって発生した蒸
   気を受取るための第２原動機とから戒る動力発生装置。 １２ 特許請求の範囲第１１項の記載において、前記
   各原動機は２つ以上の段を有し、第１原動機の各段は順
   次各前段から流体を供給され、同流体を順次各段におい
   て動的に膨脹させるようにし、その結果フラッシュ蒸発
   によって発生した蒸気を第２原動機の各対応する段へ供
   給するように構成したことを特徴とする動力発生装置。