(57)【要約】【課題】アンモニアガスが機外に漏出することを抑制すること。【解決手段】タービン発電機は、ケーシング１０１と、ケーシング１０１内においてケーシング１０１の長手方向に延びるように配設された回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０を回転自在に支持する、回転シャフト１１０の回転軸方向に間隔を空けて配設された一対のカーボン軸受１１１ａ，１１１ｂと、回転シャフト１１０の一方の端部に固定された、アンモニアガスの供給に応じて回転するタービン羽根車１１２と、回転シャフト１１０の他方の端部に接続された、回転シャフト１１０の回転に応じて発電する発電機２３と、を備え、ケーシング１０１の内壁面１０１ａ，１０１ｂ、回転シャフト１１０、及び一対のカーボン軸受１１１ａ，１１１ｂによって形成される空間Ｓが冷却水で満たされている。【選択図】図１
2014020337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内において該ケーシングの長手方向に延びるように配設された回転シャフトと、
前記回転シャフトを回転自在に支持する、前記回転シャフトの回転軸方向に間隔を空けて配設された一対のカーボン軸受と、
前記回転シャフトの一方の端部に固定された、アンモニアガスの供給に応じて回転するタービン羽根車と、
前記回転シャフトの他方の端部に接続された、回転シャフトの回転に応じて発電する発電機と、を備え、
前記ケーシングの内壁面、前記回転シャフト、及び前記一対のカーボン軸受によって形成される空間が冷却水で満たされていること
を特徴とするタービン発電機。
【請求項２】
前記タービン羽根車側に配設されたカーボン軸受とタービン羽根車との間の前記回転シャフトの周縁部、及び前記発電機側に配設されたカーボン軸受と発電機との間の前記回転シャフトの周縁部に配設されたメカニカルシール部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニアガスを受けて回転するタービン羽根車を有し、タービン羽根車の回転力で発電するタービン発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水より沸点が低いアンモニアを沸騰させ、発生したアンモニアガスを用いてタービン羽根車を回転させることによって発電するバイナリー発電システムが知られている（特許文献１参照）。このバイナリー発電システムによれば、焼却炉等からの温排水、加熱炉の排気ガス、温泉や蒸気等、比較的低温で以前までは発電に向かないとされていた熱源を発電源として利用できるために、省エネルギー化を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２１９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のバイナリー発電システムでは、タービン発電機の回転部と非回転部との間の圧力差に起因して、回転部と非回転部との間の隙間を介してアンモニアガスが機外に漏出する可能性がある。このため、従来のバイナリー発電システムでは、タービン発電機の回転部と非回転部との間にメカニカルシール部材を設けることによって、アンモニアガスが機外に漏出することを抑制していた。しかしながら、バイナリー発電システムでは、タービン羽根車が高速回転するために、回転部と非回転部との間の圧力差が非常に大きくなり、メカニカルシール部材を設けてもアンモニアガスが機外に漏出することがあった。以上のことから、アンモニアガスが機外に漏出することをより確実に抑制可能な技術の提供が期待されていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、アンモニアガスが機外に漏出することを抑制可能なタービン発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るタービン発電機は、ケーシングと、前記ケーシング内において該ケーシングの長手方向に延びるように配設された回転シャフトと、前記回転シャフトを回転自在に支持する、前記回転シャフトの回転軸方向に間隔を空けて配設された一対のカーボン軸受と、前記回転シャフトの一方の端部に固定された、アンモニアガスの供給に応じて回転するタービン羽根車と、前記回転シャフトの他方の端部に接続された、回転シャフトの回転に応じて発電する発電機と、を備え、前記ケーシングの内壁面、前記回転シャフト、及び前記一対のカーボン軸受によって形成される空間が冷却水で満たされていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るタービン発電機は、上記発明において、前記タービン羽根車側に配設されたカーボン軸受とタービン羽根車との間の前記回転シャフトの周縁部、及び前記発電機側に配設されたカーボン軸受と発電機との間の前記回転シャフトの周縁部に配設されたメカニカルシール部材を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るタービン発電機によれば、アンモニアガスが機外に漏出することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるバイナリー発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示すタービンの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるバイナリー発電システムを含む焼却システムの構成について説明する。
【００１１】
〔焼却システムの構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態であるバイナリー発電システムを含む焼却システムの構成について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態であるバイナリー発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるバイナリー発電システムを含む焼却システム１は、焼却炉２、ボイラ３、集塵装置４、排煙処理塔５、水蒸気発電システム１０、及びバイナリー発電システム２０を備えている。焼却炉２は、汚泥等の焼却対象物を焼却するものである。焼却炉２は、ブロワ６から供給される空気と必要に応じて供給される燃料とを用いて焼却対象物を燃焼させ、例えば８５０℃程度の高温の燃焼ガスをボイラ３に出力する。焼却炉２は、流動焼却炉や循環焼却炉等によって実現されるが、その他の焼却方式で実現してもよい。
【００１３】
ボイラ３は、水蒸気発電システム１０の熱源として機能する。集塵装置４は、ボイラ３を介して送られる燃焼炉２の燃焼ガスから燃焼灰を除去し、燃焼灰が除去された燃焼ガスを排煙処理塔５に送出する。ボイラ３から送られる燃焼ガスの温度は、例えば２５０〜３００℃程度である。排煙処理塔５は、常温の水を給水して、集塵装置４から送られた燃焼ガスの温度を例えば４０〜５０℃程度まで降下させ、ブロワ７を介して図示しない煙突から燃焼ガスを大気に放出する。排煙処理塔５が熱交換した水のうちの高温排水の熱はバイナリー発電システム２０で利用される。
【００１４】
水蒸気発電システム１０は、ボイラ３の燃焼ガスを熱源として、水を媒体とするランキンサイクルによって水蒸気タービンＳＴを駆動し、水蒸気タービンＳＴに結合された発電機１４を駆動することによって発電するシステムである。ボイラ３は、循環する水を加熱して水蒸気に変換し、この変換された高温高圧状態の水蒸気をスチームヘッダー１１に送出する。スチームヘッダー１１は、蒸気管寄せであり、ボイラ３からの水蒸気を一旦蓄積し、各配管に分配する。図１では、複数の配管を示していないが、水蒸気発電システム１０以外のシステム等に対して水蒸気を供給する配管が結合されている。
【００１５】
スチームヘッダー１１は高圧蒸気だめ１２に水蒸気を供給する。高圧蒸気だめ１２は、水蒸気タービンＳＴの仕事量に対応し、必要な水蒸気を水蒸気タービンＳＴに供給して水蒸気タービンＳＴを駆動すると共に、余剰の水蒸気を高圧復水器１３に送出して水蒸気のバランスをとる。例えば、高圧蒸気だめ１２は、水蒸気タービンＳＴが低負荷状態であったり、水蒸気タービンＳＴが必要とする水蒸気量よりも多い水蒸気がボイラ３側から供給されたりした場合等に、高圧復水器１３側に水蒸気を戻す。
【００１６】
水蒸気タービンＳＴは、高圧蒸気だめ１２から供給された高温高圧水蒸気が入口に入力されることによって駆動され、発電機１４を駆動して発電させる。水蒸気タービンＳＴの出口からは、仕事済みの低温低圧状態の水蒸気（余熱水蒸気）が排出される。この余熱水蒸気は、調整弁１０ａを介して低圧復水器１５に入力されるが、一部の余熱水蒸気は、調整弁１０ａと共に、調整弁１０ａの水蒸気タービンＳＴ側から分岐する配管途中に設けられた調整弁１０ｂと、調整弁１０ａの低圧復水器１５側から合流する配管途中に設けられた調整弁１０ｃとを用いて、バイナリー発電システム１０の熱交換装置２２に供給される。この３つの調整弁１０ａ〜１０ｃは、流量調整弁であり、蒸気タービンＳＴ出口から排出される余熱水蒸気の低圧復水器１５側とバイナリー発電システム２０側とへの流量配分を行う。例えば水蒸気タービンＳＴの負荷が低い場合、３つの調整弁１０ａ〜１０ｃは、バイナリー発電システム２０側への供給流量を多くして、バイナリー発電システム２０の安定発電が行えるようにする。
【００１７】
低圧復水器１５は、冷却ポンプ１５ａ及び冷却器１５ｂによって生成された冷却水によって、余熱水蒸気の温度を下げ、凝縮させる。この凝縮によって水蒸気タービンＳＴ出口側は負圧状態となり、水蒸気タービンＳＴの変換効率を高めることができる。調整弁１０ｂ，１０ｃを介して循環する余熱水蒸気も熱交換装置２２によって熱交換が行われ、余熱水蒸気は低温化される。このため、低圧復水器１５の復水能力は従来に比して小さくて済み、低圧復水器１５の構成を簡易なものとすることができる。さらに、冷却ポンプ１５ａ及び冷却器１５ｂの冷却能力及び構成も小さくて済む。しかも、低圧復水器１５で捨てていた余熱量を小さくすることができ、従来の低圧復水器１５で捨てていた一部の余熱量をバイナリー発電システム２０で利用できる。
【００１８】
すなわち、従来の低圧復水器１５で捨てていた熱エネルギーの一部をバイナリー発電システム２０で有効利用することができると共に、低圧復水器１５の復水能力を実現する冷却ポンプ１５ａ，１５ｂの駆動エネルギーが減少するため、システム全体のエネルギー効率が相乗的に向上することになる。さらに、水蒸気発電システム１０の水蒸気タービンＳＴから出力される余熱水蒸気が比較的高温状態である場合であっても、余熱水蒸気の低圧復水器１５側への流量と熱交換装置２２側への流量とを調整できるので、余熱水蒸気の復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる。
【００１９】
復水タンク１６は、ポンプ１６ａを介して低圧復水器１５から供給される水と高圧復水器１３から供給される水とを溜めておき、ポンプ１６ｂを介して脱気器１７に送出される。復水タンク１６の圧力バランスは、ポンプ１６ａ，１６ｂの駆動を制御することによって達成される。脱気器１７は、入力された復水をさらに加熱し、水に溶け込んでいる酸素等の空気を除去する。脱気器１７が空気を除去することによって、ボイラ３や配管等の腐食を防止できる。減圧減温装置１８は、高圧蒸気だめ１２に溜められた水蒸気を減圧減温し、低圧蒸気だめ１９に溜めておき、脱気器１７は、この低圧蒸気だめ１９の水蒸気を用いて加熱し、水を一旦揮発させ再凝縮させることで、水に溶存する空気を除去する。この脱気された水は、再びボイラ３に供給されて、水蒸気発電システム１０のランキンサイクルを循環する。
【００２０】
バイナリー発電システム２０は、水蒸気発電システム１０にカスケード接続されるシステムであり、水よりも低沸点の媒体を用いたランキンサイクルによって、タービン１００を駆動し、タービン１００に結合された発電機２３を駆動することによって発電するシステムである。低沸点の媒体を用いる理由は、余熱蒸気という低温熱源で容易に高圧蒸気を得ることができるからである。この低沸点の媒体はアンモニアである。アンモニアは、元々自然界に存在する無色透明の低沸点媒体で、その蒸発温度は、大気下で、−３３．３℃、４．０ＭＰａで、７９．６℃であり、熱物性が良く、また、地球温暖化係数ゼロ、オゾン層破壊係数ゼロであり、環境負荷がほとんどなく、好ましい。
【００２１】
バイナリー発電システム２０は、水蒸気発電システム１０側から供給される余熱水蒸気と、水よりも低沸点の媒体との熱交換を行う熱交換装置２２を有する。また、この熱交換装置２２の前段には、排煙処理塔５から供給される高温排水と低沸点の媒体との熱交換を行う熱交換装置２１が配置されても良い。この排煙処理塔５から供給される高温排水を用いることによって、一層、焼却システム１全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００２２】
ポンプ２５によって供給された低沸点の媒体であるアンモニアは、熱交換装置２１，２２を介して容易にアンモニアガスとなり、この高圧のアンモニアガスは、タービン１００の入口に供給され、発電機２３を駆動する仕事を行う。仕事済みのアンモニアガスは、タービン１００の出口から排出され、凝縮器２４に入力され、アンモニアガスをアンモニア液にし、ポンプ２５を介して循環される。低圧蒸気だめ１９から抽気した蒸気を蒸気加熱器３５に導くことで、低沸点媒体蒸気を過熱することができ効率を向上させることも可能である。
【００２３】
〔タービンの構成〕
次に、図２を参照して、タービン１００の構成について説明する。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態であるタービンの構成を示す断面図である。図２に示すように、本発明の一実施形態であるタービン１００は、ケーシング１０１と、ケーシング１０１内に収容されたタービン本体１０２とを備えている。タービン本体１０２は、回転シャフト１１０を有している。回転シャフト１１０は、ケーシング１０１内においてケーシング１０１の長手方向に延びるように配設され、回転軸方向に間隔を空けて配設された２つのカーボン軸受（すべり軸受）１１１ａ，１１１ｂによって回転自在に支持されている。
【００２５】
回転シャフト１１０の一方の端部には、円盤状のタービン羽根車１１２が固定されている。円盤状のタービン羽根車１１２は、その軸芯が回転シャフト１１０の軸芯と一致した状態で回転シャフト１１０の一方の端部に固定されている。タービン羽根車１１２の近傍には、タービン羽根車１１２の半径方向に延びる複数の吹出ノズル１１３が配置されている。複数の吹出ノズル１１３は、タービン羽根車１１２の周方向に互いに間隔を空けて配列されている。タービン羽根車１１２は複数の吹出ノズル１１３から噴射されるアンモニアガスを受けて回転し、回転シャフト１１０はタービン羽根車１１２の回転に合わせて回転する。
【００２６】
回転シャフト１１０の他方の端部には、発電機２３の図示しないロータに固定されている。発電機２３では、回転シャフト１１０が回転することによって図示しないロータが回転磁界を発生し、この回転磁界によって固定子鉄心のコイルに誘起電圧が生じる。このように、発電機２３は、タービン１００から出力される回転動力を電力に変換して出力する。
【００２７】
タービン羽根車１１２側に配設されたカーボン軸受１１１ａとタービン羽根車１１２との間の回転シャフト１１０の周縁部、及び発電機２３側に配設されたカーボン軸受１１１ｂと発電機２３との間の回転シャフト１１０の周縁部にはそれぞれ、アンモニアガスが機外に漏出することを抑制するためのメカニカルシール部材１１４ａ，１１４ｂが配設されている。回転シャフト１１０、カーボン軸受１１１ａ，１１ｂ、及びケーシング１０１の内壁面１０１ａ，１０１ｂによって形成される空間Ｓには冷却水が循環供給され、空間Ｓ内は常に冷却水によって満たされている。
【００２８】
このような構成によれば、メカニカルシール部材１１４ａからアンモニアガスが漏出した場合であっても、アンモニアガスは空間Ｓ内を満たしている冷却水に溶けるので、アンモニアガスが機外に漏出することを抑制できる。また、カーボン軸受１１１ａ，１１ｂはアンモニア耐性を有しているので、アンモニアによってカーボン軸受１１１ａ，１１ｂが腐食することはない。また、カーボン軸受１１１ａ，１１ｂは常に冷却水と接触しているので、冷却水が回転シャフト１１０の回転に伴いカーボン軸受１１１ａ，１１１ｂが発熱することを抑制し、熱によるカーボン軸受１１１ａ，１１１ｂの磨耗を防止できる。
【００２９】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
２３  発電機
１００  タービン
１０１  ケーシング
１０２  タービン本体
１１０  回転シャフト
１１１ａ，１１１ｂ  カーボン軸受
１１２  タービン羽根車
１１３  吹出ノズル
１１４ａ，１１４ｂ  メカニカルシール部材
【図１】
2014020337.tif 000003
【図２】
2014020337.tif 000004