JPS6055682B2 - 発電所復水器排熱利用動力回収装置の運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力又は火力発電所の復水器から出る排温
水により低沸点流体サイクルを運転して、排温水の排熱
を利用して動力を回収する発電所復水器排熱利用動力回
収装置の運転方法に関するものである。

〔従来の技術〕

原子力又は火力発電所の復水器から出る排温水は一般
に３０℃前後、低沸点流体サイクルにおける冷却水温度
は、海洋の深層冷水を利用したとしても７℃前後である
ので、温度差は僅かほぼ２２〜２３℃程度であるが、こ
の間の熱落差を利用して低沸点流体サイクルを運転して
タービンをまわし、動力を得ることができる。

即ち、例えば火力発電所においては第１図に示す如く
、スチームボイラ２、蒸気タービン３、発電機４、復水
器５、ボイラーフィードポンプ６などより成る蒸気サイ
クル１からの排熱を表面海水取水ポンプ７で低沸点流体
サイクル８の蒸発器９へ移し、低沸点流体サイクル８の
作業流体をここで蒸発させ、この作業流体でタービン１
０を回転させて発電機１１により動力を発生させたのち
、深層冷水取水ポンプ１４で汲み上げた冷水との間で凝
縮器１２に於いて熱交換して作業流体を凝縮させ、これ
を低沸点流体ポンプ１３で再び前記蒸発器９に戻して低
沸点流体サイクル８による熱サイクルを構成し、よつて
タービン１０から継続的に動力を得るようになつている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで低沸点流体サイクル８は蒸気サイクル１の排熱
を利用して動力を得るわけであり、従つて温度レベルが
低く、熱落差が小さいので、得られる出力のわりには機
器の外形寸法は大きくなりがちである。

これを小寸法とするためには、蒸気サイクル１からの排
熱は最大限回収するように、そつくりそのまま全熱量を
低沸点流体サイクル８に投入するのが好ましいと考えら
れ、それによつて動力を最大限に回収しようとするのが
従来の一般の考え方であつた。このような従来の考え方
による場合には、ポンプ７によつて海表面で取水された
冷却用の海水が蒸気サイクル１の復水器５で受熱した温
度上昇分の熱量は、その上昇分全熱量を低沸点流体サイ
クル８の蒸発器９て低沸点流体サイクル８の作業流体と
熱交換して海水自体は温度降下し、再び元の海表面温度
に戻つて放水されることになる。

数式によつてこれをあられせば、蒸気サイクル１の復水
器５に比梨Ｃｋｃａｌ／Ｋ９℃の海水（海表面海水）Ｃ
ｋ９／ｈがｔ１℃で入り、Ｔ２゜Ｃに上昇して出たとす
ると、その受熱量ＱはこのＱを全て低沸点流体サイクル
８の蒸発器９に与えようとするときは、当然その流量と
蒸発器９入口の温度は、復水器５出口のそれら、即ちＧ
ｋｃａｌ／Ｈｔ２℃をそのまま受け入れることになり、
従つて蒸発器９の海水出口温度ち℃は、ＧＣ（Ｔ２−ｔ
１）・・・・・・蒸気サイクル１の排熱量＝Ｑ＝ＧＣ（
Ｔ２−Ｔ３）・・・・・・低沸点流体サイク
ル８の受熱量，゜，ｔ３＝Ｔｌ。

Ｃ即ち、低沸点流体サイクル８の蒸発器９の海水出口温
度ちは蒸気サイクル１の復水器５ての海水取水温度ちに
等しくなるまで下げることになる。

以上の如く、発電所の復水器排熱を利用する動力回収方
法においては、熱落差が前述の如くたかだか２２〜２３
℃程度て極めて小さいので、従来は排温水に回収された
熱Ｑを最大限に、即ち全部そのまま低沸点流体サイクル
に与えることが最も好ましく、このときに最大動力が回
収できるものと考えられていた。この考えは、或る熱サ
イクルによる動力回収装置においては、従来からの「与
える熱量が大なる程回収動力も大となる」という一般の
観点に基づいてなされている。

しかしながら、発明者により従来の方法における上記の
考え方に疑問が持たれ、本発明は、この疑問点を解決し
、従来の考えによるよりも回収動力が一層大となる発電
所復水器排熱利用動力回収装置の運転方法を供給するこ
とを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者は、上記の問題点を解決するために研究を重ね、
その折に得た知見に基づき本発明がなされた。

発明者は次の如き点に疑問を持ち、この点に着目して研
究を重ねた。

即ち、第１図て火力又は原子力発電所の蒸気サイクル１
の熱落差は、温度差（摂氏）で表現して数百度もあり、
従つてその復水器５内ての冷却水の温度上昇もこれに見
合つて１０℃近くもあるが、その排熱を利用する低沸点
流体サイクル８の熱落差は冒頭に説明した如く温度差で
精々２０゜Ｃ内外しかない。

従つて排熱の回収に当たり、前述の従来の観念に基づい
て排温水に与えられた熱Ｑをそのまま低沸点流体サイク
ルに与えると、即ち、蒸気サイクル１の復水器５に於け
る上記海水の１０℃内外の温度上昇分（Ｔ２−ｔ１）に
対し、低沸点流体サイクルにおける温度降下を、できる
だけ大きくとつて上昇分のＴ２−ｔ１と等しくすると、
（即ち、Ｔ３＝ｔ１とすると、）低沸点流体サイクルに
おける蒸発温度ＴＡはかなり降下してしまうことになる
。

一方凝縮器１２で温排水は深層冷水により冷却されて凝
縮するのであるが、その凝縮温度ＴＤは深層冷水温度Ｔ
Ｌｌより当然高くなる。

このためタービン熱落差、 は、もともと２０℃内外の僅かしないサイクル熱落差、
ｂ一晶 しａレ▼ ゞＺｔｌよりもＴＡの降下、Ｔ
Ｄの上昇分だけ小さくなり、極めて小さくなる熱落差と
なつてしまう。

ここで発明者は、この点に着目し、流体サイクルに与え
る熱量９″を最大限のＱに等しくとるとするならば、蒸
発温度ＴＡはかな降下し、従つてタービン熱落差ΔＴｐ
も最小値となり、そのために効率がかなり低下し、その
結果回収熱量は大であつても、従来の観念に反し、回収
動力はかえつて減少するのではないか、との疑念を持つ
た。

発明者は、この疑念を解明するために研究を行い、その
結果、はじめて次の如き知見を得て本発明をなすに至つ
た。（１）蒸発器９に入出する温排水の入口温度Ｔ２、
出口温度らその差の降下温度ΔＴｗ＝ら一ちに関して、
Ｔ３＝ちである状態に比べてちをより高い状態（即ちＴ
３〉ｔ１）に保ち、従つてΔＴｗをより小さな状態に保
つと、ち＝ｔ１なる状態に比べて、下記の諸元は（２）
〜（８）の如き状態となる。

（２） 温排水から低沸点流体サイクルに与えられる熱
量Ｑ″は減少した値となるが、（３）蒸発温度ＴＡはよ
り高い値を保ち、凝縮温度Ｔｃはより低い値を持つ。（
４）このときランキンサイクル効率η、はより大なる値
となる。

（５）しかしてこのηＲ（５ｔＷとの関係において、Δ
ｔぃの減少につれてη８は増大するが、その増大率は大
きい。

（６）ΔＴｗの値が減少するにつれて、Ｑ″の値は減少
するが、η８の値の増大率が大であるのでＱ″の減少を
補つてなお余りあり、相乗積Ｑ″ηＲに比例する回収動
力ＰＭはより大なる値となる。

（７）しかし、ΔＴｗの値が更に減少している状態てあ
ると、η８の値の増大率よりもＱ″の値の減少率が勝つ
て、相乗梢Ｑ″η１は（６）の状態よりも小さい値とな
り、回収動力ＰＭも小さい値となる。

（８）従つて回収動力ＰＭは、！〉ｔ１なるような範囲
内のΔＴｗにおいて極大値を有する。

（９）発明者は以上の知見に基づき、Ｔ３〉ｔ１なる範
囲でこのＰＭの極大値（ポンプ動力はほぼ一定なので、
ＰＮの極大値の位置とほぼ一致する）を与えるようなΔ
ｔぃ値の付近の降下温度ΔＴｖｖて低沸点流体サイクル
を運転することを骨子とする本発明をなすに至つたので
ある。

本発明は、火力また原子力発電所の復水器より排出され
る温排水を、低沸点流体を作業媒体として作動するター
ビンの蒸発器に導き、低沸点流体と熱交換して低沸点流
体を蒸発させ、これにより膨張タービンを作動させる低
沸点流体サイクルによる動力回収装置の運転方法におい
て、前記発電所の復水器の冷却水入口温度をｔ１とし、
前記低沸点流体サイクルにおける蒸発器に入る前記温排
水の温度をＴ２とし、該蒸発器を出る排水温度をＴ３と
するとき、らがｔはり高い範囲において前記蒸発器にお
ける前記温排水の降下温度ΔＴＷ＝Ｔ２−Ｔ３に関する
前記低沸点流体サイクル正味回収動力の極大値に対応す
る降下温度を保ちながら運転することを特徴とした発電
所復水器熱利用動回収装置の運転方法である。

即ち本発明は、従来の火力又は原子力発電所に低熱落差
発電サイクルを第１図のように設けた場合に、前記ちに
まで下げることはせずに、Ｖ３／レ１ となるようならの温度範囲において、降下温度ΔＴｗに
関する低沸点流体サイクル正味回収動力ＰＮ極大値に対
応する降下温度付近になるように降下温度をΔＴｗを保
ちながら海水を蒸発器９から排出せしめる運転を行い、
前記Ｑより少ない熱量、を低沸点流体サイクル８に与え
るにとどめ、これにより効率η１が増大し、回収熱椙Ｑ
″はＱより小さくとも、その相乗積である回収動力を大
となし、かえつて低沸点流体サイクルによるタービンの
正味動力ＰＮ（タービン動力から低沸点流体サイクルを
構成するに必要な取水ポンプ等の補機所要動力を差し引
いた残りの系外へ供給しうる正味動力）を増加させ得る
効果を有するものである。

残りの熱量ノ は系外へ捨てるか又は他の熱利用系に与えることができ
る。

〔実施例〕

第１図に示す如き蒸気サイクル１と低沸点流体サイクル
８との組合せにおける、熱媒体を介しての熱の授受乃び
熱サイクルについて第３図にて説明する。

第３図の左半分は蒸気サイクル１における態、右半分は
低沸点流体サイクル８における状態を示す。

縦軸は、蒸気、復水、冷却水、低沸点流体、冷水の温度
、横軸は低沸点流体の熱サイクルに関してはエントロピ
ーを示し、復水器５、蒸発器９、凝縮器１２などの熱交
換器に関しては熱媒体流体のバスの道程を示す。蒸気サ
イクル１につき説明すれば、蒸気タービン３から排出さ
れた蒸気は復水器５の入口で圧力Ｐ２、エンタルピー１
ｚの状態にある。

温度ｔ１の海水が冷却水としてポンプ７により汲み上ら
れ復水器５に導かれ、温胆。の蒸気は冷却されて、温度
ＴＲ（＝Ｔ２）の復水となる。この復水の圧力はＰ、、
エンタルピーはＩＲである。一方冷却水は温度ちからΔ
Ｔ，だけ上昇しＴ２となる。この間に蒸気から冷却水に
移動した熱量はＱである。Ｉ２→ＩＲの矢印とｔ１→Ｔ
２の矢印が逆向きになつているのは熱交換が向流で行わ
れていることを示す。冷却水は温度！となり、排温水と
して低沸点流体サイクル８（第３図右半分）に入る。

蒸発器９に入つた温度Ｔ２、流量ＧＨｌ水頭ＨＨの排温
水は、低沸点流体と熱交換し、降下温度Δｔ１鳩−Ｔ３
だけ温度が降下し温度Ｔ３となり排出され海水に戻され
る。

このとき排温水から低沸点流体に移動する熱量はＱ″て
ある。右側の図のうち、山形の曲線は温度エントロピー
線図における飽和液線、飽和蒸気線である。

５角形の線図は低沸点流体の熱サイクルであり、Ｔ９は
蒸発温度Ｔ。

＝ＴＤは凝縮温度で、ＩＡ，ｉＯ，ｉＥ及びＰＡ，ＰＤ
，ＰＣは熱サイクル上の各点のエンタルピー及び圧力で
ある。熱サイクルの蒸発温度ＴＡの線上で、低沸点流体
は向流状態でＱ″の熱量を受けながら右向きに蒸発が進
行する。

このときθＭＢは対数平均温度差てあり、温度差ΔＴＢ
を与えて蒸発温度ＴＡが決められる。蒸発した低沸点流
体はタービン１０に入り膨張して外部へ発電端出力ＰＭ
を出力し、降温、降圧して温度Ｔ。

、圧力Ｐ。、エンタルピー１０の湿り蒸気となる。一方
深海から取水ポンプ１４により汲み上げらｊれた温度Ｔ
Ｌ，、流量Ｇぃ水頭ＨＬの冷水は凝縮器１２に入り、低
沸点流体蒸気は向流状態で冷却されて左向きに凝縮が進
行し蒸気Ｔｌｌｌ：（＝ＴＤ）、圧力Ｐｌｌ：、エンタ
ルピー１０の凝縮液となり、冷水は温度ΔＴＬだけ昇温
し、温度ＴＬ２となる。

このとき、対数平均温度差θＭｃを以つて熱交換が行わ
れ、熱量ＱＯが移動し温度差ΔＴＯを以て凝縮温度ＴＤ
（＝ＴＥ）が決まる。ΔＴａＬ，Ｌ＝Ｔ２−ＴＬｌは全
熱落差である。

また、この熱サイクル（ランキンサイクル）にっおける
ランキンサイクル効率ηＲは、ポンプ仕事（Ｅｐ間のエ
ンタルピー増加分）を無視すると、ロピー線図上で、に
よつても表すことができる。

その効率ηＲは第２図下部に示す如く、ΔＴｗの減少に
伴い大幅に上昇する。

このη８の上昇により、前述の如くＱ″が減少しても、
相乗積である。Ｑ″η８は増大し、これに比例する回収
動力は増大して極大値を示すに至るのである。実際の数
値例について説明する。

低沸点流体サイクルの作業流体＝Ｒｌｌ４タービンジェ
ネレータの総合効率ηＴｃ＝０．７５ポンプ・モータ総
合効率 η１＝０．８５蒸気サイクル発電所の出力
Ｐｊ＝５００ＭＷとなし、そのほか、伝熱面積をＡＢ＝
Ａｃ＝ＣＯｎｓとし、ΔＴｗ＝８．７℃時の熱交換器内
の液体終端温度差ΔＴｓ，ΔＴｃをほぼ０．５℃になる
ようにＡｓを決めて計算を行うと第１表の通りとなる。

結果を第２図に示す。第１表かられかるように、蒸気サ
イクルへの冷却水入口温胆，＝２１℃より高い温凪。

＝２４．７Ｃで低沸点流体サイクルから冷却水（低沸点
流体サイクルでは「温水」）を流出させると、低沸点流
体サイクルでの受熱量Ｑ″は５．４４×１０３→３．４
４×１σＫｃａｌ／ｈに減少するにも拘らずランキンサ
イクル効率η．が１．５−３．６％に上昇し、Ｑ″の減
少を補つて余りあり、結果的には送電端出力ＰＮは４．
８２→８．７２ＭＷに増加し極大値を示している。但し
、蒸発器ての排温水の出口温度を上げすぎると、タービ
ン熱落差は増え、効率ηＲは増しても受熱量自身が極度
に減つてしまつて回収動力は再び減少の傾向を示すこと
になり、従つて第２図の如くその間で回収動力に極大値
があられれる。このように、或る前提条件、或る仮定を
設け、計算を行つて正味回収動力ＰＮの極大値を与える
ようなΔｔゅを求め、このΔＴ７の温度条件下における
諸元に基づいて設計、製作、制御を行つて運転すれば、
ΔＴｗをはじめほぼ設計通りとなり、従つてＰＮはほぼ
最大値を得ることができる。諸条件が変わつた場合でも
同様な計算を行いＰ、を極大とするようなΔＴｗを求め
て、そのときの諸元に合わせて諸元を変更、調節してＰ
Ｎが極大値の点付近で運転する。以上のように、本実施
例においては、既設の火力又は原子力発電所に低沸点流
体サイクルを付加するとき、ら＝ｔ１ではなく、ち〉ｔ
１なるように排熱カットを行ない、ＰＮの極大値付近で
運転することによりかえつて回収動力を増加せしめる結
果を発揮するものである。

なお、カットされた残りの排熱量Ｑ″は系外へ持ち去る
か、他の熱系に与えて有効使用しうるが、他の方法とし
て凝縮器から排出される冷排水と混合して捨てることに
より温排水公害ないしは冷水公害を防ぎ、又は軽減する
ことができる。

〔発明の効果〕本発明により、低沸点流体サイクルに与
える熱量を減らすことによつて、従来好ましいと考えら
れていた、回収全熱量を全部低沸点流体サイクルに与え
る場合よりも、正味回収動力が大なる発電所復水器排熱
利用動力回収装置を提供することができ、実用上、省エ
ネルギー上極めて大なる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はシステムのフロ
ー図、第２図は蒸発器の入口、出口の温度差と正味回収
動力との関係を示すグラフ、第３図は蒸気サイクルと低
沸点流体サイクルにおける熱の授受、温度の状態及び熱
サイクルを示すグラフである。 １・・・・・・蒸気サイクル、２・・・・・・スチーム
ボイラ、３・・・・・・蒸気タービン、４・・・・・・
発電機、５・・・・・・復水器、６・・・・・・ボイラ
ーフィードポンプ、７・・・・・・ポンプ、８・・・・
・・低沸点流体サイクル、９・・・・・・蒸発器、１０
・・・・・・タービン、１１・・・・・・発電機、１２
・・・・・・凝縮器、１３・・・・・・ポンプ、１４・
・・・・・取水ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 火力または原子力発電所の復水器より排出される温
   排水を、低沸点流体を作業媒体して作動するタービンの
   蒸発器に導き、低沸点流体と熱交換して低沸点流体を蒸
   発させ、これにより膨張タービンを作動させる低沸点流
   体サイクルによる動力回収装置の運転方法において、前
   記発電所の復水器の冷却水入口温度をｔ＿１とし、駆動
   装置低沸点流体サイクルにおける蒸発器に入る前記温排
   水の温度をｔ＿２とし、該蒸発器を出る排水温度をｔ＿
   ３とするとき、ｔ＿３がｔ＿１より高い範囲において、
   前記蒸発器における前記温排水の降下温度Δｔ＿ｗ＝ｔ
   ＿２−ｔ＿３ に関する前記低沸点流体サイクル正味回収動力の極大値
   に対応する降下温度付近になるように降下温度を保ちな
   がら運転することを特徴とした発電所復水器利用動力回
   収装置の運転方法。