(57)【要約】      （修正有）【課題】高速で回転するロータに対して、蒸気の流れもノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電供給システムを提供する。【解決手段】タービン本体５００の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路５１０が設けられており、蒸気導入路５１０の下方には、蒸気導入路５１０内を流下してきた蒸気の流れをタービン本体５００の外周部位に流出させる整流凸部５１１及び整流ノズル５１２が設けられ、整流凸部５１１及び整流ノズル５１２から送られる蒸気が、タービンロータ５２０のブレード５２１に供給され、タービンロータ５２０を回動させて発電する。【選択図】図３
0003199309.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
タービン本体の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路が設けられており、
前記蒸気導入路の下方には、該蒸気導入路内を流下してきた蒸気の流れを前記タービン本体の外周部位に流出させる整流凸部及び整流ノズルが設けられ、
前記整流凸部及び前記整流ノズルから送られる蒸気が、タービンロータのブレードに供給され、前記タービンロータを回動させて発電するラジアルアウトフロータービン。
【請求項２】
前記タービンロータの外周部位に、前記ブレードが形成され、前記タービンロータと前記ブレードがチタン合金で一体型で構成されている請求項１記載のラジアルアウトフロータービン。
【請求項３】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【請求項４】
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器を備える請求項３記載の熱電併給システム。
【請求項５】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器と、
前記第２汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第２誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第２ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービン及び第２ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【請求項６】
前記第２ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第３汽水分離器を備える請求項５記載の熱電併給システム。
【請求項７】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器と、
前記第２汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第２誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第２ラジアルアウトフロータービンと、
前記第２ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第３汽水分離器と、
前記第３汽水分離器で生成されるフラッシュ蒸気を集め、蓄圧機能を有し、安定した蒸気を供給する蒸気ヘッダーと、
前記蒸気ヘッダーより供給されるフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を、バイナリー発電装置内の有機媒体に熱移動する熱交換器と、  
前記熱交換器でフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を供給された有機媒体を、気相と液相の二相状態で二相流タービンに供給してバイナリー発電を行う発電装置と、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービン及び第２ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【請求項８】
燃料が、バイオマス燃料である請求項３〜７の何れかに記載の熱電併給システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、ラジアルアウトフロータービン及びこれを用いた熱電併給システムに関し、詳しくはラジアルアウトフロータービンを２段或いは３段で用い、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
平成１５年に、最高使用圧力１ＭＰａＧ、最大蒸発量１０ｔ／ｈ以下で一定の条件を満たしたボイラに限り、電気工作物として取り扱わないことにするという電気事業法(平成１５年０１月２１日  原院第３号）の改正があり、工場等に設置される石油・ガス焚き産業用ボイラや木質バイオマスボイラからの蒸気が、減圧弁を通じて乾燥工程等に供給される場合に、減圧弁に代えて小型蒸気タービン発電システムやスクリューエキスパンダー発電システムが共に使用されている。
【０００３】
上記発電システムで使用されている小型蒸気タービンの一つは、産業及び発電用の軸流タービンを小型化したものであり、これは回転軸に沿って平行に蒸気を流し、該蒸気の流れにより風車の様にタービンブレードを回転させるものである。前記形式のタービンは、高温・高圧・大流量での数千ｋＷ以上の大型発電機用としては効率が高いが、小型化するほど効率が低くなる。小型タイプの場合でも、単段では低速回転であるため効率が低いので段数を増やす必要があり、構造が複雑となって製作コストの上昇につながる。また、２ＭＰａＧ以下の低圧のボイラを使用した場合の小型軸流蒸気タービンでは、大きな出力を得るためには排気圧力をできるだけ下げ、圧力差を設ける必要があり、排蒸気を乾燥等でのプロセスで更に活用することが困難である。
【０００４】
上記発電システムで使用されている小型蒸気タービンの他の一つの形式は、産業及び発電用のラジアルタービンを同じ構造のまま小型化したラジアルタービンであり、機械エネルギーのロス比率が著しく大きいため効率が低くなっている。これらの小型ラジアルタービンでは、蒸気が渦巻状のケーシングより内部に入り、羽根車内の流れは、外周部位より回転中心に向けて流れ、次に９０°方向を転換して回転軸方向に流れるという、２回の大きな曲がりを受ける複雑な流れとなっている。その為にタービン羽根車構造もタービンブレードを中心部に向けて絞るような構造であり、蒸気が圧力を減じながら膨張するために、ブレードを延長させて空間の断面積を増大させていくという花弁が開いたような複雑な様式となっている。
【０００５】
大型ラジアルタービンの場合は、高温・高圧蒸気と大流量蒸気を使用できるため構造上の問題があまり顕在化しないが、小型ラジアルタービンの場合は、蒸気の粘性の影響により空力性能が悪化し、タービンブレード表面の流れが、はく離しやすく低効率となる。
【０００６】
上述の在来型の小型ラジアルタービンの欠点を克服するために、スクリューエキスパンダーが使用され始めたが、構造的に雄雌の組み合わせロータの相互クリアランスを最小にしなければならず、配管内部に生じやすいドレーンにより発生するサビ等の異物の進入に注意する必要がある。その為にロータの損傷を避けるため、減耗した配管の交換や配管等の異物侵入防止のフィルターの頻繁な交換などと言ったメンテナンス等によるコストの増大を招きやすい。また、使用蒸気量当たりの発電量が少なく、比較的大きなボイラとの組み合わせが必要であり、蒸気消費量が多いという欠点がある。
【０００７】
一方、特許文献１では、バイオマスボイラから流出した蒸気を汽水分離器で水蒸気と熱水に分離し、該水蒸気とランキンサイクル内を循環する低沸点熱媒体（作動媒体）との間で熱交換することで、該水蒸気の熱により、液体の作動媒体を気化させて、その膨張力によって膨張機を駆動させる。該膨張機が回転力に変換した低沸点熱媒体の熱エネルギーを、膨張機に接続された発電機によって電力に変換することで発電するバイナリー発電システムが開示されている。
【０００８】
ここで、特許文献１は、発生する熱エネルギーが少量である場合は好ましい技術であるが、汽水分離器で分離された水蒸気が大量の熱エネルギーを有する場合は、該熱エネルギーを回収しきれず、有効利用できていないという問題点が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−４７６３８号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本考案の課題は、高速で回転するロータに対して、蒸気の流れもノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービンを提供することにある。
【００１１】
また、本考案の他の課題は、蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部位に吹き飛ばされ容易に排出可能であるラジアルアウトフロータービンを提供することにある。
【００１２】
さらに、本考案の他の課題は、バイオマスボイラが発する蒸気の熱エネルギーをバイナリー発電装置に供する前に、前記ラジアルアウトフロータービンを２段或いは３段で導入し、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムを提供することにある。
【００１３】
また本考案の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題は、以下の各考案によって解決される。
【００１５】
（請求項１）
タービン本体の中心部には、上部から下方に向かって蒸気を導入する蒸気導入路が設けられており、
前記蒸気導入路の下方には、該蒸気導入路内を流下してきた蒸気の流れを前記タービン本体の外周部位に流出させる整流凸部及び整流ノズルが設けられ、
前記整流凸部及び前記整流ノズルから送られる蒸気が、タービンロータのブレードに供給され、前記タービンロータを回動させて発電するラジアルアウトフロータービン。
【００１６】
（請求項２）
前記タービンロータの外周部位に、前記ブレードが形成され、前記タービンロータと前記ブレードがチタン合金で一体型で構成されている請求項１記載のラジアルアウトフロータービン。
【００１７】
（請求項３）
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【００１８】
（請求項４）
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器を備える請求項３記載の熱電併給システム。
【００１９】
（請求項５）
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器と、
前記第２汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第２誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第２ラジアルアウトフロータービンと、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービン及び第２ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【００２０】
（請求項６）
前記第２ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第３汽水分離器を備える請求項５記載の熱電併給システム。
【００２１】
（請求項７）
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第１汽水分離器と、
前記第１汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第１誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第１ラジアルアウトフロータービンと、
前記第１ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第２汽水分離器と、
前記第２汽水分離器で分離・生成されたフラッシュ蒸気を導入して第２誘導発電機を駆動させ、所定の発電端出力を得る第２ラジアルアウトフロータービンと、
前記第２ラジアルアウトフロータービンから供給される蒸気を導入して、フラッシュ蒸気とドレーンに分離・生成する第３汽水分離器と、
前記第３汽水分離器で生成されるフラッシュ蒸気を集め、蓄圧機能を有し、安定した蒸気を供給する蒸気ヘッダーと、
前記蒸気ヘッダーより供給されるフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を、バイナリー発電装置内の有機媒体に熱移動する熱交換器と、  
前記熱交換器でフラッシュ蒸気の持つ大量の凝縮潜熱を供給された有機媒体を、気相と液相の二相状態で二相流タービンに供給してバイナリー発電を行う発電装置と、
を備える熱電併給システムであって、
前記第１ラジアルアウトフロータービン及び第２ラジアルアウトフロータービンとして、請求項１又は２記載のラジアルアウトフロータービンを用いる熱電併給システム。
【００２２】
（請求項８）
燃料が、バイオマス燃料である請求項３〜５の何れかに記載の熱電併給システム。
【考案の効果】
【００２３】
本考案によれば、高速で回転するロータに対して、蒸気の流れがノズルから円弧状のブレードに流入する構造で、流入蒸気は、高速で回転するロータの遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ、良好に回転動力が得られるラジアルアウトフロータービンを提供することができる。
【００２４】
また、本考案によれば、蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部に吹き飛ばされ容易に排出可能であるラジアルアウトフロータービンを提供することができる。
【００２５】
さらに、本考案によれば、バイオマスボイラが発する蒸気の熱エネルギーをバイナリー発電装置に供する前に、前記ラジアルアウトフロータービンを２段或いは３段で導入し、該ラジアルアウトフロータービンに接続された発電機で発電を行うことで、熱エネルギーを最大限に有効活用できる熱電併給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様１を概念的に説明する図
【図２】ラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置の一例を示す概略斜視図
【図３】ラジアルアウトフロータービンの要部切欠拡大斜視図
【図４】木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様２を概念的に説明する図
【図５】木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様３を概念的に説明する図
【図６】図１に示す熱電併給システムにおける実施態様１の実施例を示す図
【図７】図４に示す熱電併給システムにおける実施態様２の実施例を示す図
【図８】図５に示す熱電併給システムにおける実施態様３の実施例を示す図
【考案を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づいて、本考案を実施するための形態について説明する。
【００２８】
＜実施態様１＞
図１に基づき、本考案の実施態様１について説明する。図１は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様１を概念的に説明する図である。
【００２９】
図１において、１はバイオマスボイラであり、該バイオマスボイラ１には、給水タンク２内の水が、加圧給水ポンプ３によって加圧されて導入される。
【００３０】
バイオマスボイラ１の燃料は、バイオマスであれば格別限定されるわけではないが、例えば木屑が用いられる。木屑としては、チップ、木片、オガクズ、バーク等を挙げることができる。
【００３１】
バイオマスボイラ１においては、加圧蒸気が得られる。バイオマスボイラ１で得た加圧蒸気は、本考案の熱電併給システム内における各配管での熱ロスにより乾き度が低下するため、所定の乾き度と想定する。
【００３２】
次いで、バイオマスボイラ１により得られた所定の乾き度の加圧蒸気は、乾き度１．０とするため、第１汽水分離器４に導入される。
【００３３】
該加圧蒸気は、第１汽水分離器４でドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。第１汽水分離器４の構造は、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成できれば格別限定されない。
【００３４】
第１汽水分離器４で分離・生成したドレーンは、高温、加圧状態であり、かかるドレーンは、給水タンク２に戻されて熱源として使用される。
【００３５】
第１汽水分離器４で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、第１タービン−発電機ユニットＡに導入される。第１タービン−発電機ユニットＡは、第１ラジアルアウトフロータービン５と第１誘導発電機６を備え、発電可能に構成されている。第１ラジアルアウトフロータービン５にフラッシュ蒸気が導入されると、第１誘導発電機６を駆動させ、所定の発電端出力が得られる。
【００３６】
第１ラジアルアウトフロータービン５で生成された蒸気は、第１ラジアルアウトフロータービン５のタービン内にて減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少するため、所定の湿り蒸気となっている。
【００３７】
次いで、この湿り蒸気は、第２汽水分離器７により、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。ドレーンは、高温・加圧状態の温水であり、給水タンク２に戻されて熱源として使用される。第２汽水分離器７の構造は、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成できれば、格別限定されない。
【００３８】
第２汽水分離器７で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、蓄圧機能を有する蒸気ヘッダー８に導入し、木材乾燥用蒸気として乾燥器９に移送して使用する。ここで、蒸気ヘッダー８と乾燥器９間の圧力損失を０．０５ＭＰaＧと想定した。かかる蒸気は、木材乾燥用の他、工場や建物等の暖房用として使用してもよい。
【００３９】
乾燥器９で使用した蒸気は、気相状態から冷却されることで約４０℃（外気により変動する）の温水となって給水タンク２に導入され、熱源として使用される。
【００４０】
なお、本考案の熱電併給システム全体で漏れ蒸気等として損失された水量分は、補給水として水道、井戸等から給水タンク２に補給されることが好ましい。
【００４１】
図１に示す実施態様１のシステムに用いられるラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置の構造は、格別限定されるわけではないが、好ましい装置の一例を図２、３に基づいて説明する。
【００４２】
図２は、ラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置の一例を示す概略斜視図であり、図３は、ラジアルアウトフロータービンの要部切欠拡大斜視図である。
【００４３】
本態様は、第１タービン−発電機ユニットＡにより発電を行っている。図２に示すように、かかる発電は、第１汽水分離器４で分離・生成した蒸気を、第１タービン−発電機ユニットＡのタービンケーシング５９９の上部に、矢印Ｙ方向から導入し、該蒸気を回転エネルギーとして取り出し、下部に設けた減速機６００を介して、例えば第１誘導発電機６により発電を行っている。そして、使用後の蒸気は、矢印Ｘ方向に排出され、第２汽水分離器７に導入される。
【００４４】
第１ラジアルアウトフロータービン５の具体的構成は、図３に示す。なお、後述する実施態様２、３で用いる第２ラジアルアウトフロータービン１１は、該第１ラジアルアウトフロータービン５と同様の構造を成している。
【００４５】
タービン本体５００の中心部には、上部矢印Ｙ方向から蒸気を導入する蒸気導入路５１０が設けられている。該蒸気導入路５１０の下方には、整流凸部５１１及び整流ノズル５１２が設けられている。該整流凸部５１１及び該整流ノズル５１２は、該蒸気導入路５１０内を流下してきた蒸気の流れを、外周部位に流出させるものである。
【００４６】
そして、外周部位に送られた蒸気は、後述するタービンロータ５２０のブレード５２１に供給され、図３矢印Ｚに示すように、タービンロータ５２０を回動させる。
【００４７】
タービンロータ５２０の回動は、不図示の回転軸を介し、前記した減速機６００に伝達され発電に供される。
【００４８】
本態様において、タービンロータ５２０とブレード５２１はチタン合金の一体型で構成され、ブレード５２１はタービンロータ５２０（ロータディスク）に直接加工されているので強度性に優れる。
【００４９】
このように、タービンの構造が、タービンロータ５２０とブレード５２１が一体加工され、かつ、円盤状の面盤でブレードの片側をサポートしたシンプルな構造となっており、通常の薄板翼の蒸気タービンと比べてより強度的に信頼性の高いものとなっている。
【００５０】
また、高速で回転するタービンロータ５２０に対して、蒸気の流れが整流ノズル５１２から円弧状のブレード５２１に流入する単純な構造となっているので、流入蒸気は、高速で回転するタービンロータ５２０の遠心力に逆らわず、素直にブレードに沿ってはく離を起こすことなく外周部位に流れ良好に回転動力が得られる。
【００５１】
さらに、同時に蒸気配管で生じたサビ等の異物がタービン装置内に侵入したとしても、蒸気と共に遠心力でタービン外周部に吹き飛ばされ容易に排出される。 
【００５２】
＜実施態様２＞
次いで、図４に基づき、本考案の実施態様２について説明する。図４は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様２を概念的に説明する図であり、実施態様１より発電量が大きい例である。
【００５３】
図４において、図１と同一の符号の部位は同一の構成であるので、図１の説明を援用し、省略する。ここでは、実施態様１と相違する実施態様２特有の構成について主に説明する。
【００５４】
実施態様２では、発電量を約５００ｋＷとするため、実施態様１に対して、更に第２タービン−発電機ユニットＢを導入している。
【００５５】
すなわち、第２汽水分離器７で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、第２タービン−発電機ユニットＢに導入される。第２タービン−発電機ユニットＢは、第２ラジアルアウトフロータービン１１と第２誘導発電機１２を備え、発電可能に構成されている。
【００５６】
第２ラジアルアウトフロータービン１１で生成された蒸気は、第２ラジアルアウトフロータービン１１のタービン内にて減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少するため、所定の湿り蒸気となっている。
【００５７】
次いで、この湿り蒸気は、第３汽水分離器１３により、ドレーンとフラッシュ蒸気に分離・生成される。該ドレーンは、高温・加圧状態の温水であり、給水タンク２に戻されて熱源として使用される。
【００５８】
第３汽水分離器１３で分離・生成されるフラッシュ蒸気は、蒸気ヘッダー８に導入される。
【００５９】
蒸気ヘッダー８に導入されたフラッシュ蒸気は、熱交換器１０に導入されて熱回収され、給水タンク２での熱源として使用される。
【００６０】
熱電併給システム内での熱水利用後の循環水は、蒸気ヘッダー８に導入されたフラッシュ蒸気により熱交換器１０で加熱され、家庭用温水、温水プール、ロードヒーティング等の熱水利用に供される。
【００６１】
この実施態様２では、実施態様１に対して、更に第２タービン−発電機ユニットＢを導入し、第１誘導発電機６及び第２誘導発電機１２により、実施態様１より大きい電力が発電可能となる。
【００６２】
＜実施態様３＞
次に、図５に基づき、本考案の実施態様３につい説明する。図５は、木屑バイオマス焚きボイラより得た蒸気により稼動されるラジアルアウトフロータービンを備えた熱電併給システムの実施態様３を概念的に説明する図であり、実施態様２より発電量が大きい例である。
【００６３】
図５において、図４と同一の符号の部位は同一の構成であるので、図４の説明を援用し、省略する。ここでは、実施態様１と相違する実施態様３特有の構成について説明する。なお、実施態様３の説明は、実施態様１の説明が援用されている。
【００６４】
図５に示す実施態様３は、実施態様２より大きい発電量を得るために、実施態様２に対して、更にフレックスバイナリー装置を導入した。
【００６５】
すなわち第３汽水分離器１３で分離・生成されたフラッシュ蒸気は、蒸気ヘッダー８に導入される。蒸気ヘッダー８に導入されたフラッシュ蒸気は、フレックスバイナリー装置１４に含まれる熱交換器２００にて、コンデンサー２０３で冷却・凝縮された液相代替フロン（「ＨＦＣ−２４５ｆａ」又は「ＨＦＣ−１３４ａ」）と熱交換させる。
【００６６】
また、蒸気ヘッダー８に導入されたフラッシュ蒸気は、凝縮する際に５３８ｋｃａｌ／ｋｇの大量の凝縮潜熱を放出加熱するため、温水の対流伝熱に比べ効果的な加熱が可能となり、副次的に熱交換器２００としてコンパクトな熱交換器を使用できる。
【００６７】
フレックスバイナリー装置１４の代替フロン加圧ポンプ２０４で加圧された代替フロンは、熱交換器２００で高温・高圧の液体、あるいは液体及び気体の混相流としてから第３タービン−発電機ユニットＣの二相流タービン（ＶＰＴ）２０１内のノズルに導入される。該第３タービン−発電機ユニットＣは、二相流タービン（ＶＰＴ）２０１と第３誘導発電機２０２を備える。
【００６８】
さらに、ノズルで減圧させた液相は、フラッシュさせて気液二相流として二相流タービン（ＶＰＴ）２０１を駆動して、第３誘導発電機２０２で発電端出力約１９０ｋＷの電力を得ることができる。
【００６９】
従来のオーガニックランキンサイクルやカリーナサイクルでは、作動媒体は熱交換器内で液相→気液二相→飽和蒸気→過熱蒸気と相変換されてタービンに流入する。従って、熱源温度と作動媒体との温度差が最小となるピンチポイントが存在し、これによってサイクルに取り込める熱源温度の制約を受ける。
【００７０】
一方、本考案のように、ノズル上流が液相の場合の二相流サイクル（ＶＰＣ：Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｃｙｃｌｅ)は、熱交換器内の圧力を飽和蒸気圧以上に設定して作動媒体を沸騰させないため、液相線上で作動媒体の熱交換器入口の下限温度を低くとれ、ランキンサイクルに比べ熱源から効率よく出力を得られるサイクルと言える。
【００７１】
二相流タービン（ＶＰＴ）２０１から流出した代替フロンは、コンデンサー２０３で冷却水と熱交換され、冷却・凝縮される。このとき、冷却用に使用された冷水は、６０〜７０℃程度の温水として回収され、これを温室加温・建物暖房等の用途に使用することも可能である。上記のような熱需要が無い場合は、冷却用のクーリングタワーに戻し、冷却水として循環使用することもできる。
【００７２】
以上、本考案の実施態様を説明したが、実施態様１で説明したラジアルアウトフロータービンを用いた小型発電装置は、実施態様２、３でも同様に用いることができる。
【００７３】
以上詳述したが、本考案に係る熱電併給システムにおいては、ラジアルアウトフロータービンでの発電後の蒸気は、加熱等のために充分な蒸気圧力・温度・流量を持っており、製材工場等の乾燥機の代わりに、吸収式冷凍機・蓄熱タンク等と組み合わせ、大型ビル・ミニ地域冷暖房用の蒸気熱源として多様に使用できる。
【００７４】
また、本考案において、燃料はバイオマスに限定されず、従って、ボイラもバイオマスボイラに限定されない。燃料が固体燃料ならば、籾殻ブリケット・稲わらペレット・褐炭を改質したバイオブリケット用ボイラ、石油・ガス燃料ボイラ等でもよく、またそれらを組み合わせてもよい。
【実施例】
【００７５】
以下に、本考案の実施例により、本考案の効果を例証する。ただし、本考案はかかる実施例により限定されない。
【００７６】
（実施例１）
図１に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け２５０ｋＷ熱電併給システムに基づき実験した。
【００７７】
図６には、図１に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
【００７８】
給水タンク２より加圧給水ポンプ３によりバイオマスボイラ１に給水する。加圧給水ポンプ３により、１．９６ＭＰａＧまで加圧してバイオマスボイラ１に給水する。
【００７９】
バイオマスボイラ１で、木屑(チップ・木片・オガクズ・バーク)を燃焼させて１．９６ＭＰａＧまで加圧された蒸気６８００ｋｇ／ｈ（８ｔ／ｈボイラに対して木屑の含水量を考慮した実効値)を得る。
【００８０】
バイオマスボイラ１で得た蒸気は、途中の配管での熱ロスにより乾き度が低下するため乾き度を０．９と想定した。第１タービン−発電機ユニットＡの第１ラジアルアウトフロータービン５に入る蒸気の乾き度を１．０とするため、第１汽水分離器４で温度２１３．９℃のドレーン−１と乾き度１．０のフラッシュ蒸気−１に分離させた。
【００８１】
該蒸気により、第１ラジアルアウトフロータービン５を駆動し、第１誘導発電機６で約２５６ｋＷ±５％の発電端出力を得ることができた。
【００８２】
第１汽水分離器４で分離・生成したドレーン−１は、高温・加圧状態であり、第１汽水分離器４と接続された配管で給水タンク２に戻され再利用される。
【００８３】
第１ラジアルアウトフロータービン５を出た蒸気は、温度１６２℃、圧力０．５５ＭＰａＧの状態であるが、タービン内で減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少し、乾き度０．９２の湿り蒸気となっている。
【００８４】
次いで、該蒸気は、第２汽水分離器７により、ドレーン−２とフラッシュ蒸気−２に分離・生成される。ドレーン−２は高温・加圧された温水であり、第２汽水分離器７と接続された配管で給水タンク２に戻され再利用される。
【００８５】
第２汽水分離器７を出たフラッシュ蒸気−２は、温度１６２℃、圧力０．５５ＭＰａＧ、乾き度１．０の状態で、蓄圧機能を有する蒸気ヘッダー８に導かれる。
【００８６】
その後、木材乾燥用蒸気として乾燥器９に移送され、木材乾燥の目的で使用される。乾燥器９で使用された蒸気は、気相状態から冷却される事で４０℃±１０℃の温水(外気温により変動)となり、戻り配管で給水タンク２に戻される。
【００８７】
（実施例２)
次に、図４に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け５００ｋＷ熱電併給システムに基づき実験した。
【００８８】
図７には、図４に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
【００８９】
第２汽水分離器７を出た温度１６２℃、圧力０．５５ＭＰａＧ、乾き度１．０のフラッシュ蒸気−２で、第２タービン−発電機ユニットＢの第２ラジアルアウトフロータービン１１を駆動させることにより、第２誘導発電機１２で発電端出力２７５ｋＷ±５％の電力を得ることができた。
【００９０】
従って、実施態様２では、第１誘導発電機６で約２５６ｋＷ±５％の発電端出力が得られているので、合計の発電端出力が５３１ｋＷの電力が得られる。
【００９１】
第２ラジアルアウトフロータービン１１を出た蒸気は、タービン内で減圧条件下での断熱膨張によりエンタルピーが減少し、温度１００℃、圧力０ＭＰａＧ、流量５６３０．４ｋｇ、乾き度０．９の湿り蒸気となる。
【００９２】
該蒸気は第３汽水分離器１３に導かれ、ドレーン−３とフラッシュ蒸気−３に分離・生成される。１００℃のドレーン−３は、給水タンク２に戻され再利用される。第１汽水分離器４からのドレーン−１及び第２汽水分離器７からのドレーン−２も、給水タンク２に回収される。
【００９３】
第３汽水分離器１３を出たフラッシュ蒸気−３は、温度１００℃、圧力０ＭＰａＧ、乾き度１．０の状態で、蒸気ヘッダー８に回収される。
【００９４】
給水タンク２に回収されるトータルドレーン(１＋２＋３)は、温度１００℃、熱水流量１７３２．６ｋｇ／ｈである。
【００９５】
一方、循環水は、蒸気ヘッダー８に回収された温度１００℃、圧力０ＭＰａＧ、蒸気流量５０６７．４ｋｇ／ｈ、乾き度１．０のフラッシュ蒸気−３により更に加熱され、熱水利用として暖房、温水供給、温水プール、ロードヒーティング等の用途に供される。
【００９６】
凝縮された蒸気はドレーンとなり、給水タンク２に回収され再利用される。
【００９７】
(実施例３)
次に、図５に示す木屑バイオマス焚きマイクロスチーム木工工場向け７００ｋＷ熱電併給システムに基づき実験した。
【００９８】
図８には、図５に示すシステムにおける各工程や配管等における、蒸気やドレーンなどの温度、圧力、流量、乾き度、熱水エンタルピー、蒸気エンタルピーの何れかが示されている。
【００９９】
蒸気ヘッダー８からの温度１００℃、圧力０ＭＰａＧ、蒸気流量５０６７．４ｋｇ／ｈ、乾き度１．０のフラッシュ蒸気−３は、凝縮する際に１ｋｇ当たり５３８．８ｋｃａｌ／ｋｇ(２２５４ｋＪ／ｋｇ)の大量の凝縮潜熱を放出加熱するために、温水の対流伝熱に比べて非常に素早く効果的に加熱が可能となり、副次的に熱交換器２００としてコンパクトな熱交換器が使用できる。 
【０１００】
フレックスバイナリー装置における第３タービン−発電機ユニットＣの第３誘導発電機２０２で発電端出力約１９０ｋＷ±５％の電力を得ることができた。
【０１０１】
つまり、実施態様３によると、５３１ｋＷ＋１９０ｋＷ＝７２１ｋＷの発電端出力の電力が得られた。
【０１０２】
（実施例４)
上記実施例１〜３の形態での熱電併給システムにおいて、熱効率の改善を図るためにバイオマスボイラ１の下流側の第２汽水分離器７より０．５５ＭＰａＧの蒸気を抽気し、給水タンク２まで２点鎖線Ｄで示される配管で蒸気を供給することで給水加熱が可能となり、擬似的に再生サイクルとすることができた。
【０１０３】
また、図８においては、熱需要が無い場合に発電量を増加させるために、フラッシュ蒸気の潜熱回収だけではなく、高温ドレーン水の顕熱を低い温度まで回収し、バイナリー発電装置の代替フロンと２段階で熱交換することで、第３タービン−発電機ユニットＣ内で二相流タービン（ＶＰＴ）２０１に接続された第３誘導発電機２０２の容量アップが可能となる。
【０１０４】
この場合には、ドレーン水の温度が低下するため、給水タンク２での抽気した蒸気で加熱することができる熱電併給システムとなる。
【符号の説明】
【０１０５】
１：バイオマスボイラ
２：給水タンク
３：加圧給水ポンプ
４：第１汽水分離器
Ａ：第１タービン−発電機ユニット
５：第１ラジアルアウトフロータービン
５００：タービン本体
５１０：蒸気導入路
５１１：整流凸部
５１２：整流ノズル
５２０：タービンロータ
５２１：ブレード
５９９：タービンケーシング
６：第１誘導発電機
６００：減速機
７：第２汽水分離器
８：蒸気ヘッダー
９：乾燥器
１０：熱交換器
Ｂ：第２タービン−発電機ユニット
１１：第２ラジアルアウトフロータービン
１２：第２誘導発電機
１３：第３汽水分離器
１４：フレックスバイナリー装置
２００：熱交換器
Ｃ：第３タービン−発電機ユニット
２０１：二相流タービン（ＶＰＴ）
２０２：第３誘導発電機
２０３：コンデンサー
２０４：代替フロン加圧ポンプ
【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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【図８】
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