(57)【要約】【課題】熱源に戻る熱水の温度を低くすることができ、かつ蒸発器を通過する加熱媒体の流量を変更することなく予熱器のスチーミング現象を抑えることのできる排熱回収タービン装置を提供する。  【解決手段】作動媒体Ｍにより駆動されるタービン４と、第１の熱源２０ａから供給される加熱媒体Ｈとの熱交換により作動媒体Ｍを蒸気化してタービン４に供給する蒸発器１０と、蒸発器１０に流入する作動媒体Ｍを予熱する予熱器１２と、加熱媒体Ｈを蒸発器１０から予熱器１２に供給する予熱用通路２２ｂと、予熱用通路２２ｂの中途から分岐して加熱媒体Ｈを第２の熱源２０ｂへ戻す戻し通路２２ｄと、蒸発器１０で放熱した加熱媒体Ｈを戻し通路２２ｄに通すことにより、予熱器１２に供給される加熱媒体Ｈの流量を調整する流量調節弁２４とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体により駆動されるタービンと、
熱源から供給される加熱媒体との熱交換により前記作動媒体を蒸気化して前記タービンに供給する蒸発器と、
前記蒸発器に流入する作動媒体を予熱する予熱器と、
前記加熱媒体を前記蒸発器から予熱器に供給する予熱用通路と、
前記予熱用通路の中途から分岐して前記加熱媒体を前記熱源へ戻す戻し通路と、
前記蒸発器で放熱した加熱媒体を前記戻し通路に通すことにより、予熱器に供給される加熱媒体の流量を調整する流量調節機構と、
を備えた排熱回収タービン装置。
【請求項２】
請求項１において、前記流量調節機構は、前記戻し通路に設けられている排熱回収タービン装置。
【請求項３】
請求項１において、前記流量調節機構は、前記予熱用通路に設けられ、前記戻し通路は予熱用通路における流量調節機構の上流側から分岐している排熱回収タービン装置。
【請求項４】
請求項１，２または３において、さらに、前記予熱器の出口の作動媒体の温度を検出する温度センサと、検出された前記温度が所定値を超えないように前記流量調節機構を制御する温度制御手段とを備えた排熱回収タービン装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項において、前記予熱器は、シェルにチューブを貫通させてなり、前記チューブに作動媒体を通し、前記シェル内に加熱媒体を通している排熱回収タービン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水以外の媒体、特に水より沸点の低い媒体を利用する排熱回収タービン装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、排熱回収タービン装置では、図７に示すように、熱源１００からの熱水ないし温水のような加熱媒体Ｈを利用し、低沸点の作動媒体Ｍと熱交換させて、その作動媒体Ｍを蒸発器１０１で蒸発させ、気相の作動媒体Ｍによりタービン１０２を駆動している。蒸発器１０１を出た加熱媒体Ｈは、さらに予熱器１０３により作動媒体Ｍと熱交換された後、熱源１００に戻される。蒸発器１０１や予熱器１０３を流れる熱水Ｈの流量は、蒸発器１０１の上流側に設けた流量調節弁１０４によって行われる（特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−２２２９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
排熱回収タービン装置においては、熱源からより多くの排熱を回収するために、熱源に戻る加熱媒体Ｈの温度をできるだけ低くしたい。しかしながら、上述の装置では、蒸発器１０１と予熱器１０３を流れる加熱媒体Ｈの流量が同じであるから、蒸発器１０１と予熱器１０３間の熱交換のバランスをとるのが難しいので、熱源１００に戻る加熱媒体Ｈの温度を調整することが困難であった。また、予熱器１０３を流れる加熱媒体Ｈの流量や温度が変動することで、予熱器１０３で作動媒体Ｍが蒸発してしまう、いわゆるスチーミング現象を回避するために、予熱器１０３に流入する加熱媒体Ｈの量を制限すると、蒸発器１０１を通過する加熱媒体Ｈの流量も絞ることになり、蒸発器１０１での熱交換量が低下する。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、熱源に戻る加熱媒体の温度を低くすることができ、かつ蒸発器を通過する加熱媒体の流量を変更することなく予熱器のスチーミング現象を抑えることのできる排熱回収タービン装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る排熱回収タービン装置は、作動媒体により駆動されるタービンと、熱源から供給される加熱媒体との熱交換により前記作動媒体を蒸気化して前記タービンに供給する蒸発器と、前記蒸発器に流入する作動媒体を予熱する予熱器と、前記加熱媒体を前記蒸発器から予熱器に供給する予熱用通路と、前記予熱用通路の中途から分岐して前記加熱媒体を前記熱源へ戻す戻し通路と、前記蒸発器で放熱した加熱媒体を前記戻し通路に通すことにより、予熱器に供給される加熱媒体の流量を調整する流量調節機構とを備えている。
【０００６】
この構成によれば、流量調節機構により蒸発器で放熱した加熱媒体の一部を戻し通路に通すことで、予熱器に供給される加熱媒体の流量が少なくなるので、予熱器から熱源に戻る熱水の温度を低くすることができる。温度の低い熱水は冷却用に再利用できる。また、流量調節機構は蒸発器の下流側に配置されるので、蒸発器を通過する加熱媒体の流量を低下させることなく、つまりサイクルの出力を低下させることなく、予熱器のスチーミング現象を抑えることができる。
【０００７】
本発明において、前記流量調節機構は、前記戻し通路に設けられていることが好ましい。この構成によれば、蒸発器を通過した加熱媒体をすべて予熱器に供給する必要がある場合、戻し通路に設けた流量調節機構を遮断して戻し通路に加熱媒体を流さないようにすることで、蒸発器を通過した加熱媒体をすべて予熱器に供給することができる。その場合、加熱媒体は流量調節機構を通過しないので、流量調節機構による予熱用通路内での圧損が生じない。
【０００８】
本発明において、前記流量調節機構は、前記予熱用通路に設けられ、前記戻し通路は予熱用通路における流量調節機構の上流側から分岐していてもよい。この構成によれば、予熱器に供給される加熱媒体の流量がより正確に調整され、予熱器から熱源に戻る熱水の温度を精度よく調節できる。
【０００９】
本発明において、さらに、前記予熱器の出口の作動媒体の温度を検出する温度センサと、検出された前記温度が所定値を超えないように前記流量調節機構を制御する温度制御手段とを備えることが好ましい。この構成によれば、予熱器内の作動媒体の温度を制御できるので、効率的に予熱器のスチーミング現象を抑えることができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、前記予熱器は、シェルにチューブを貫通させてなり、前記チューブに作動媒体を通し、前記シェル内に加熱媒体を通している。一般的には、スチーミングが発生しても気体が作動媒体の通路にべーパーロックを発生させないように、チューブに加熱媒体を通し、シェル内に作動媒体を通しているが、本発明では、スチーミングの発生を防ぐことができるので、この実施形態では、チューブに作動媒体を通し、シェル内に加熱媒体を通している。この構成によれば、作動媒体の保有量を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、流量調節機構により蒸発器で放熱した加熱媒体の一部を戻し通路に通すことで、予熱器に供給される加熱媒体の流量が少なくなるので、予熱器から熱源に戻る熱水の温度を低くすることができる。また、蒸発器を通過する加熱媒体の流量を低下させることなく、予熱器のスチーミング現象を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明の第１実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの系統図である。タービン発電システム１は、発電機２とこれを駆動するタービン４とを有するタービン発電ユニット６を備え、タービン４の作動媒体Ｍを循環させる媒体通路８に伝熱管式の蒸発器１０、予熱器１２、作動媒体供給ポンプ１４、凝縮液タンク１６および凝縮器１８が設けられている。凝縮液タンク１６は省略することもできる。
【００１３】
蒸発器１０は、熱源２０から供給される加熱媒体Ｈの熱エネルギを熱交換により利用して作動媒体Ｍを蒸発させ、気相となった作動媒体Ｍを気相媒体供給通路８ａを経由して前記タービン発電ユニット６に供給する。タービン発電ユニット６のタービン４を回転駆動させたのちの作動媒体Ｍは、気相媒体回収通路８ｂを経由して凝縮器１８に送られ、ここで液化された作動媒体Ｍが液相媒体供給通路８ｃに設置された作動媒体供給ポンプ１４により昇圧されて蒸発器１０に供給される。液相媒体供給通路８ｃには、作動媒体供給ポンプ１４の上流側に、作動媒体供給ポンプ１４の吸込圧を安定させるための凝縮液タンク１６が、蒸発器１０の上流側で作動媒体供給ポンプ１４の下流側に、蒸発器１０に流入する作動媒体Ｍを予熱する予熱器１２が、それぞれ設置されている。前記気相媒体供給通路８ａ、気相媒体回収通路８ｂおよび液相媒体供給通路８ｃにより、循環経路である媒体通路８が形成されている。作動媒体Ｍは、媒体通路８、予熱器１２、蒸発器１０、タービン４および凝縮器１８からなる、大気から密封した空間内を循環しているので、作動媒体Ｍが大気中に流出するのを防止できる。
【００１４】
液相媒体供給通路８ｃにおける蒸発器１０の出口および予熱器１２の出口に、作動媒体Ｍの温度を検出する第１および第２の温度センサＴ１，Ｔ２がそれぞれ設けられている。第１の温度センサＴ１は省略してもよい。
【００１５】
作動媒体Ｍは、沸点の低い主媒体に潤滑油を混合したもので、主媒体としては、ＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）、つまり、一般式ＣｎＨ２ｎ＋１−Ｏ−ＣｍＨ２ｍ＋１のＨを一部Ｆで置換したものであって、常圧における沸点が２５℃を超え１００℃未満で、かつ、炭素Ｃの数が７個以下のもの、例えば、Ｃ３Ｆ７ＯＣＨ３、Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３、Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５、Ｃ６Ｆ１３ＯＣＨ３およびＣＨＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＨ２−ＣＦ３を用いる。このうち、Ｃ３Ｆ７ＯＣＨ３の具体例として住友スリーエム社の商品名ノベック７０００がある。この他、代替的に使用できる媒体としては、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、つまり、ＣｎＨ２ｎ＋２のＨを一部Ｆで置換したもの、ＦＥ（フルオロエーテル）、つまり、一般式一般式ＣｎＨ２ｎ＋１−Ｏ−ＣｍＨ２ｍ＋１のＨを全部Ｆで置換したもの、およびフッ化アルコール、つまり、ＣｎＨ２ｎ＋１−ＯＨのＯＨ以外のＨを一部Ｆで置換したものがある。
【００１６】
前記ＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）で代表される媒体がタービン発電機システムの媒体として適しているのは、オゾン破壊係数ＯＤＰ＝０であるためオゾン層を破壊しないうえ、地球温暖化係数ＧＷＰが小さく、環境性に優れているからである。例えば、前記ノベック７０００の地球温暖化係数ＧＷＰ＝３７０である。その他に、ＨＦＥと同様に環境性ｘに優れた媒体としてＨＦＯ（ハイドロオフルオロオレフィン）があり、これも主媒体として使用できる。また、アンモニア、ブタン、ペンタンなどの、いわゆる自然媒体も主媒体として使用できる。
【００１７】
前記凝縮器１８は、内部に冷却媒体Ｃの配管を通した公知の構造のものであり、タービン４を駆動させたのちの気相の作動媒体Ｍを冷却媒体Ｃによって冷却することにより液化させる。
【００１８】
熱源２０は、例えば、製鉄所や窯業などの製造過程で発生する温水等の排熱であり、複数の温度の熱源、例えば、９８℃の温水を含む第１の熱源２０ａ、８７℃より若干温度の高い温水を含む第２の熱源２０ｂ、および７７℃より若干温度の高い温水を含む第３の熱源２０ｃを含んでいる。第１の熱源２０ａからの排熱を含んだ加熱媒体である温水Ｈは、加熱媒体供給通路２２ａを通って、蒸発器１０内の伝熱管に導入されたのち、予熱用通路２２ｂを通って予熱器１２に導入される。加熱媒体供給通路２２ａにおける蒸発器１０の上流側に、図７に示した従来例の場合と同様に、蒸発器１０に導入される温水Ｈの量を調整するための流量調節弁を設けてもよい。
【００１９】
予熱器１２は、図２に示すように、シェル１２ａにチューブ１２ｂを貫通させてなり、チューブ１２ｂに作動媒体Ｍを通し、シェル１２ａ内に、蒸発器１０から供給される温水Ｈを通している。予熱器１２のシェル１２ａを通過した温水Ｈは、図１の加熱媒体回収通路２２ｃを通って第３の熱源２０ｃへ戻される。予熱用通路２２ｂの中途には、予熱器１２に導入される温水Ｈの量を調整するための流量調節機構として流量調節弁２４が設けられている。
【００２０】
予熱用通路２２ｂにおける流量調整弁２４の上流側から、温水Ｈを第２の熱源２０ｂへ戻す戻し通路２２ｄが分岐されており、蒸発器１０で放熱した温水Ｈの一部、すなわち流量調節弁２４で調整された残余の温水Ｈが戻し通路２２ｄを通るようにしている。前記加熱媒体供給通路２２ａ、予熱用通路２２ｂ、加熱媒体回収通路２２ｃおよび戻り通路２２ｄにより、第１の熱源２０ａから供給された温水が第２、第３の熱源２０ｂ、２０ｃに回収される加熱媒体循環通路２２が形成されている。
【００２１】
流量調節弁２４は温度制御手段３０により制御されている。また、第１および第２の温度センサＴ１，Ｔ２の出力は温度制御手段３０に入力されている。つまり、第１および第２の温度センサＴ１，Ｔ２の出力に基づいて、流量調節弁２４が制御されている。具体的には、第１および第２の温度センサＴ１，Ｔ２の検出する温度をそれぞれｔ１、ｔ２とすると、ｔ１がｔ２よりもある一定値以上に大きくなるように、好ましくは、ｔ１−ｔ２が＋５〜８℃となるように、流量調節弁２４が制御される。第１の温度センサＴ１を省略する場合は、作動媒体Ｍの沸点ｖ１と第２の温度センサＴ２の検出する温度ｔ２との差が上記値になるように制御される。
【００２２】
上記システムの動作について、図１を参照しながら説明する。まず、作動媒体Ｍの動作を説明する。図１は、常圧（１気圧）での沸点が３４℃のＨＦＥからなる作動媒体Ｍを用いている。第１の熱源２０ａから導出された９８℃の温水Ｈが加熱媒体供給通路２２ａから蒸発器１０に導入され、導入された蒸発器１０内の作動流体Ｍが、導入された温水Ｈとの熱交換により、つまり、温水Ｈからの受熱により蒸気化されて、８０℃、４１５ｋＰａＡ（絶対圧）の高圧の気相となる。
【００２３】
気相となった作動流体Ｍは、蒸発器１０の上部から取り出され、気相媒体供給通路８ａを通ってタービン発電ユニット６のタービン４に供給され、タービン４を駆動する。これにより、タービン４と回転軸で連結された発電機２が駆動されて発電が行われる。タービン４でエネルギを放出した作動媒体Ｍは、５７℃、８８ｋＰａＡまで降圧し、気相媒体回収通路８ｂを通って凝縮器１８に入り、２０℃の冷却媒体Ｃとの熱交換によって冷却されて液化される。こうして、３０℃の液相となった作動媒体Ｍが液相媒体供給通路８ｃを通り、作動媒体供給ポンプ１４により昇圧され、予熱器１２に供給され、予熱器１２内で蒸発器１０を通過した８７℃の温水Ｈとの熱交換により７２℃まで予熱されたのち、蒸発器１０へ戻る。
【００２４】
つぎに、加熱媒体である温水Ｈの動作を説明する。９８℃の温水Ｈが、第１の熱源２０ａから加熱媒体供給通路２２ａを通って蒸発器１０に導入され、作動媒体Ｍと熱交換され、８７℃まで降温される。８７℃の温水Ｈは予熱用通路２２ｂを通って、流量調節弁２４で調整された流量だけ予熱器１２に導入され、その他の温水Ｈは戻り通路２２ｄを通って、第２の熱源２０ｂに戻される。予熱器１２に導入された温水Ｈは作動媒体Ｍと熱交換され、７７℃まで降温されたのち、加熱媒体回収通路２２ｃを通って、第３の熱源２０ｃに戻される。
【００２５】
図７の従来例において、図１の実施形態と同様に、常圧（１気圧）での沸点が３４℃のＨＦＥからなる作動媒体Ｍと、加熱媒体として９８℃の温水Ｈを用いた場合は、熱源１００に戻される温水Ｈの温度は８３℃と比較的高温になる。これに対し、図１の実施形態では、第３の熱源２０ｃに回収される温水Ｈの温度を７７℃まで下げることができる。
【００２６】
上記構成において、流量調節弁２４により蒸発器１０で放熱した温水Ｈの一部を戻し通路２２ｄに通すことで、予熱器１２に供給される温水Ｈの流量が少なくなるので、予熱器１２から熱源２０に戻る温水Ｈの温度を低くすることができ、例えば、それを転炉のような冷却対象の冷却に再利用できる。流量調節弁２４を全開にした場合には、温水Ｈの全量を予熱器１２に供給することができ、全閉とした場合には、温水Ｈの全量を戻り通路２２ｄに供給する。また、流量調節弁２４は蒸発器１０の下流側に配置されるので、蒸発器１０を通過する温水Ｈの流量を低下させることなく、つまり、サイクルの出力を低下させることなく、予熱器１２のスチーミング現象を抑えることができる。
【００２７】
さらに、流量調節弁２４は、予熱用通路２２ｂに設けられ、戻し通路２２ｄが予熱用通路２２ｂにおける流量調節弁２４の上流側から分岐しているので、予熱器１２に供給される温水Ｈの流量がより正確に調整され、予熱器１２から熱源２０に戻る温水Ｈの温度を精度よく調節できる。
【００２８】
また、蒸発器１０と予熱器１２の出口における作動媒体Ｍの温度を検出する温度センサＴ１，Ｔ２をそれぞれ設け、検出される各温度ｔ１、ｔ２の差が所定値を超えないように、温度制御手段３０により流量調節弁２４を制御することで、予熱器１２内の作動媒体Ｍの温度を調整できるので、効率的に予熱器１２のスチーミング現象を抑えることができる。
【００２９】
一般的には、スチーミングが発生しても蒸気が作動媒体Ｍの通路にベーパーロックを発生させないように、チューブに加熱媒体を通し、シェル内に作動媒体を通しているのに対し、上記構成では、スチーミングの発生を防ぐことができるので、チューブ１２ｂに作動媒体Ｍを通し、シェル１２ａ内に温水Ｈを通している。これにより、作動媒体Ｍの保有量を少なくすることができ、その結果、オゾン層破壊の防止、温暖化防止等に貢献できる。
【００３０】
図３は、第２実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの加熱媒体循環通路２２の系統図である。図示していない加熱媒体循環通路２２以外の構成は第１実施形態と同様である。本実施形態では、流量調節弁２４を戻り通路２２ｄに設けて、戻り通路２２ｄを流れる温水Ｈの量を調整することで、間接的に予熱器１２に供給される温水Ｈの流量を調整している。本実施形態によれば、蒸発器１０を通過した温水Ｈをすべて予熱器１２に供給する必要がある場合、戻し通路２２ｄに設けた流量調節弁２４を遮断して戻し通路２２ｄに温水Ｈを流さないようにすることで、蒸発器１０を通過した温水Ｈをすべて予熱器１２に供給することができる。このとき、温水Ｈは流量調節弁２４を通過しないので、流量調節弁２４による予熱用通路２２ｂ内での圧損が生じない。加熱媒体循環通路２２における圧力損失が問題とならない場合には、図１のように流量調節弁２４を予熱用通路２２ｂに設けて、予熱器１２に供給される温水Hを直接調節できる。
【００３１】
図４は、第３実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの加熱媒体循環通路２２の系統図である。本実施形態では、予熱用通路２２ｂと戻り通路２２ｄとの分岐箇所に流量調節機構として三方弁２６を設け、温度制御手段３０（図１）からの信号により予熱用通路２２ｂと戻り通路２２ｄを流れる温水Ｈの量を調整している。本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果も奏する。
【００３２】
図５は、第４実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの加熱媒体循環通路２２の系統図である。本実施形態では、流量調節機構として可変容量ポンプ２８を予熱用通路２２ｂに設け、戻し通路２２ｂを予熱用通路２２ｂにおける可変容量ポンプ２８の上流側から分岐している。温度制御手段３０（図１）からの信号により可変容量ポンプ２８のモータの回転数制御を行って、予熱器１２に供給する温水Ｈの量を調整している。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３３】
図６は、第５実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの加熱媒体循環通路２２の系統図である。本実施形態では、流量調節機構として可変容量ポンプ２８を戻り通路２２ｄに設け、戻り通路２２ｄを流れる温水Ｈの量を調整することで、間接的に予熱器１２に供給される温水Ｈの流量を調整している。本実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００３４】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの系統図である。
【図２】同上タービン発電システムの予熱器の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの温水循環通路の系統図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの温水循環通路の系統図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの温水循環通路の系統図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの温水循環通路の系統図である。
【図７】従来の一実施形態に係る排熱回収タービン装置を備えたタービン発電システムの系統図である。
【符号の説明】
【００３６】
４  タービン
１０  蒸発器
１２  予熱器
１２ａ  シェル
１２ｂ  チューブ
２０  熱源
２２ｂ  予熱用通路
２２ｄ  戻し通路
２４  流量調節弁（流量調節機構）
２６  三方弁（流量調節機構）
２８  可変容量ポンプ（流量調節機構）
３０  温度制御手段
Ｈ  加熱媒体（温水）
Ｍ  作動媒体
Ｔ１  第１の温度センサ
Ｔ２  第２の温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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