(57)【要約】【課題】作動媒体の潜熱により潤滑油冷却器、発電機、インバータ、制御盤等冷却を必要とする各部を冷却し、且つ該冷却により作動媒体が加熱された熱も有効に回収できる発電装置及びその運転方法を提供すること。【解決手段】排熱等を回収して作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器１０と、発電機１２、タービン（膨張機）１３と、凝縮器１４と、媒体循環ポンプ１５を有する動力回収装置を備えた発電装置であって、冷却を必要とする各部（潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４、制御盤等）の少なくとも一つに凝縮器１４にて凝縮した作動媒体の凝縮液１０１を冷却媒体として送り、冷却に供した該作動媒体１０４を凝縮器１４に戻す冷却媒体ポンプ２５と、凝縮器１４に戻る作動媒体１０４と媒体循環ポンプ１５で蒸気発生器１０へ送液する作動媒体の凝縮液１０１との間で熱交換を行ない熱を回収する熱回収器２６を設けた。【選択図】図１
2006009592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱等を回収して作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、該膨張機を駆動した後の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して前記蒸気発生器に送り込む媒体循環ポンプを有する動力回収装置を備えた発電装置であって、
冷却を必要とする各部の少なくとも一つに前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を冷却媒体として送り、冷却に供した該作動媒体を前記凝縮器に戻す冷却媒体ポンプと、該凝縮器に戻る作動媒体と前記媒体循環ポンプで前記蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液との間で熱交換を行ない熱を回収する熱回収器を設けたこと特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記冷却を必要とする各部の少なくとも１つは、前記冷却媒体ポンプで送られた作動媒体の凝縮液の気化熱により冷却されることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記冷却を必要とする各部は、潤滑油を冷却する潤滑油冷却器、前記発電機の出力を周波数変換するインバータ、制御盤であることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
排熱等を回収して作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、該膨張機を駆動した後の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して前記蒸気発生器に送り込む媒体循環ポンプを有する動力回収装置を備えた発電装置の運転方法であって、
冷却を必要とする各部の少なくとも一つに前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を送液して冷却し、該冷却に供した作動媒体を、前記媒体循環ポンプで前記蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液で冷却することを特徴とする発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排熱等を回収して、この熱エネルギーを電力に変換する発電装置及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気発生器、膨張機、凝縮器、発電機を具備し、排熱等を前記蒸発器で回収して作動媒体の高圧蒸気を生成し、該生成した高圧蒸気をタービン等の膨張機に導入し発電機を駆動するように構成された動力回収装置は、設置スペースやコストの面から小型化が要求されている。このうち、発電機、該発電機の出力を周波数変換するインバータ、制御を行う制御盤、発電機等の軸受を潤滑する潤滑油を冷却する潤滑油冷却器等の発熱機器を小型化する一つの方法として、水で冷却する水冷化が行なわれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記水冷化による冷却方法には下記のような問題がある。
（１）水の顕熱で冷却すると、ある程度の流量が必要で、配管が太くなり、小型化にも限界がある。
（２）水は導電性があるので、絶縁不良等の原因となることがある。
【０００４】
上記水の顕熱による冷却に対して、作動媒体の潜熱を利用する冷却方法があり、潜熱で冷却することにより、必要な媒体量が少なくて済み、絶縁性のある媒体であれば、絶縁不良の原因とならない。しかしながら、従来の媒体の潜熱による冷却方法では、冷却に利用した媒体は凝縮器などで再度液化しており、この熱は単に損失となるという問題がある。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、作動媒体の潜熱により潤滑油冷却器、発電機、インバータ、制御盤等冷却を必要とする各部を冷却し、且つ該冷却により作動媒体が加熱された熱も有効に回収できる発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、排熱等を回収して作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、該膨張機を駆動した後の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して前記蒸気発生器に送り込む媒体循環ポンプを有する動力回収装置を備えた発電装置であって、冷却を必要とする各部の少なくとも一つに前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を冷却媒体として送り、冷却に供した該作動媒体を前記凝縮器に戻す冷却媒体ポンプと、該凝縮器に戻る作動媒体と前記媒体循環ポンプで前記蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液との間で熱交換を行ない熱を回収する熱回収器を設けたこと特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記冷却を必要とする各部の少なくとも１つは、前記冷却媒体ポンプで送られた作動媒体の凝縮液の気化熱により冷却されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発電装置において、前記冷却を必要とする各部は、潤滑油を冷却する潤滑油冷却器、前記発電機の出力を周波数変換するインバータ、制御盤であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、排熱等を回収して作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機を駆動する膨張機と、該膨張機を駆動した後の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して前記蒸気発生器に送り込む媒体循環ポンプを有する動力回収装置を備えた発電装置の運転方法であって、冷却を必要とする各部の少なくとも一つに前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を送液して冷却し、該冷却に供した作動媒体を、前記媒体循環ポンプで前記蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液で冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、冷却を必要とする各部の少なくとも一つに凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を冷却媒体として送り、冷却に供した該作動媒体を凝縮器に戻す冷却媒体ポンプと、該凝縮器に戻る作動媒体と媒体循環ポンプで蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液との間で熱交換を行ない熱を回収する熱回収器を設けたので、凝縮器の凝縮液で各部を効果的に冷却できると共に、冷却により加熱された作動媒体の熱も有効に回収できる発電装置を提供できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、冷却を必要とする各部の少なくとも１つは、冷却媒体ポンプで送られた作動媒体の凝縮液の気化熱により冷却されるから、凝縮液の大きな潜熱で冷却されることになり、作動媒体の流量が少なくて済み冷却部の小型化により機器の小型化が可能になると共に、作動媒体ポンプ及び配管等の小型化が可能となる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、冷却を必要とする各部は、潤滑油冷却器、インバ−タ、制御盤であるので、これらの機器を効果的に冷却できると共に、これらの機器で発生した熱も有効に回収でき、更にこれら各機器の小型化、作動媒体ポンプ及び配管等の小型化が可能となる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、冷却を必要とする各部の少なくとも一つに凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を送液して冷却し、該冷却に供した作動媒体を、媒体循環ポンプで蒸気発生器へ送液する作動媒体の凝縮液で冷却するので、凝縮器の凝縮液で各部を効果的に冷却できると共に、冷却により加熱された作動媒体の熱も有効に回収できる発電装置の運転方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図１は本発明に係る発電装置のシステム構成を示す図である。図示するように、発電装置は蒸気発生器１０、気液分離器１１、発電機１２、タービン１３、凝縮器１４、媒体循環ポンプ１５を具備する。蒸気発生器１０で排熱等を回収して凝縮器１４からの作動媒体の凝縮液１０１を加熱し、該作動媒体の高圧蒸気１００を生成する。高圧蒸気１００は気液分離器１１で気液分離されて液分が除去され、高圧蒸気１００は三方弁１６を介して膨張機であるタービン１３に供給され、発電機１２が駆動される。タービン１３を駆動した後の低圧の作動媒体蒸気１００’は凝縮器１４で凝縮され作動媒体の凝縮液１０１となり、媒体循環ポンプ１５により逆止弁１７を通り蒸気発生器１０に送り込まれる。このように、蒸気発生器１０、発電機１２、タービン１３、凝縮器１４、媒体循環ポンプ１５で、排熱から動力を回収するクローズドシステムの動力回収装置を構成している。
【００１５】
気液分離器１１で高圧蒸気１００から分離された作動媒体液１０２は再び蒸気発生器１０に戻る。蒸気発生器１０に供給される排熱回収用流体１０３としては、２００〜４００℃程度の排ガス或いは１００〜１５０℃の排温水等がある。また、凝縮器１４に供給される冷却媒体としては冷却水等がある。発電機１２及びタービン１３の主軸２１は発電機側軸受１８、主軸受１９、及び後述するタービン側軸受２８（図２参照）で支持されており、発電機側軸受１８、主軸受１９、タービン側軸受２８には潤滑油系２０が接続され、潤滑油循環ポンプ２２で潤滑油が供給されるようになっている。また、潤滑油系２０には潤滑油冷却器２３が設けられている。また、発電機１２で発電された電力１０６はインバータに送られ、該インバータ２４で周波数変換され（例えば５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚ・２００Ｖ）、各部に送電される。また、図示を省略するが、発電装置には各機器を制御するための制御盤が設けられている。上記では、潤滑油循環ポンプの吸込側に潤滑油冷却器２３を設けているが、吐出側に設ける場合もある。
【００１６】
上記構成の発電装置において、発電機側軸受１８、主軸受１９、タービン側軸受２８、発電機１２、凝縮器１４、制御盤は本発電装置の運転中に発熱するから、それを冷却するため、潤滑油冷却器２３、発電機１２、凝縮器１４、制御盤に冷却媒体を送り冷却する必要がある。そこで、本実施形態では、冷却媒体ポンプ２５を設け、凝縮器１４にて凝縮した作動媒体の凝縮液１０１を潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４及び図示しない制御盤に供給している。そしてこれらを冷却した後の作動媒体（作動媒体液＋作動媒体蒸気）１０４が熱回収器２６に送られ、該熱回収器２６において媒体循環ポンプ１５により蒸気発生器１０に送られる凝縮器１４からの凝縮液１０１との間で熱交換が行なわれ、熱回収される。熱回収された作動媒体１０４は膨張弁２７を通って、凝縮器１４に戻される。この膨張弁２７は熱回収器２６内の凝縮温度を一定にするために設けるが、単なるオリフィス、又は液封を用いてもよい。また、冷却媒体ポンプ２５に代えて、媒体循環ポンプ１５から吐出される凝縮液１０１の一部を減圧して、潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４、制御盤に供給するようにしてもよい。
【００１７】
上記クローズドシステムの発電装置は、いわゆるランキンサイクルを利用した発電装置である。作動媒体としては、沸点が４０℃前後のＨＦＣ１２３あるいはトリフルオロエタノール（ＣＦ3ＣＨ2ＯＨ）等を用いている。これらの作動媒体は沸点が４０℃前後と低いから、この作動媒体の凝縮液１０１を潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４及び制御盤に送りこれらを冷却することにより、少なくともその一部は気化し、大きい潜熱で冷却することになるから、少ない流量の作動媒体で効果的に冷却することができる。従って、冷却媒体ポンプ２５の容量及び配管の径を小さくできると共に、潤滑油冷却器２３、発電機１２、凝縮器１４及び制御盤の冷却部を小さくできるから、これらの小型化が可能となる。なお、ここでは、潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４及び制御盤の全部に凝縮液１０１を送る例を示したが、例えば、発電機１２や潤滑油冷却器２３のように特に冷却を必要とするものにのみ送液してもよい。
【００１８】
図２はタービン１３と発電機１２で構成されるガスタービン発電機の構成例を示す図である。ガスタービン発電機は、軸流式のタービン１３とＤＣブラシレスの発電機１２とを備え、タービンロータ１３−１と発電機ロータ１２−１とが一体的に単一軸の主軸２１に固定されている。このタービン発電機は、縦置きであり、主軸２１の上部にタービンロータ１３−１が固定され、主軸２１の下部に発電機ロータ１２−１が固定されている。但し、このタービン発電機を図１に示すように横置きにして使用してもよいことは勿論である。
【００１９】
タービンロータ１３−１には、複数の動翼１３−２が軸方向に配列して固定され、その動翼１３−２の外側に複数の静翼１３−３を備えたタービンケーシング１３−４が配置されている。また、タービンケーシング１３−４の外側には外胴１３−５が設けられ、タービンケーシング１３−４と外胴１３−５の間をタービン１３を回転駆動した後の作動媒体の低圧の作動媒体蒸気１００’が流れる流路１３−６を構成している。タービン１３の吸込側には、吸込管１３−７が配置され、タービン１３の吸込側に作動媒体の高圧蒸気１００が流入するガス流路１３−８を構成している。即ち吸込管１３−７は、タービン１３の外胴１３−５、又は外胴１３−５に接続されるタービン吐出管１３−９の内部に収容され、タービン吸込管１３−７とタービン吐出管１３−９とが二重構造となっている。従って、二重管の内側のタービン吸込管１３−７からタービン１３に流入した作動媒体の高圧蒸気１００はタービンロータ１３−１を回転駆動し、低圧となった作動媒体蒸気１００’が二重管の外周部であるタービン吐出管１３−９を通って流出する。
【００２０】
発電機１２は永久磁石をその円周面に沿って交互に配置した永久磁石型のロータにより構成され、発電機ロータ１２−１の周囲には僅かなクリアランスを介して発電機ステータ１２−２が配置されている。また、発電機ステータ１２−２の外周部には冷却ジャケット１２−３が設けられ、冷却液として作動媒体である凝縮器１４からの凝縮液１０１が供給され、発電機１２、特に発電機ステータ１２−２を凝縮液１０１の潜熱（気化熱）により効率的に冷却する。
【００２１】
この発電機１２はＤＣブラシレス型の交流発電機であり、その発電出力は発電機ステータ１２−２に設けられた巻線部から動力線３０を介して外部に取り出される。動力線はコネクタ２４−１を介して周波数変換を行なうインバータ２４に接続される（図１参照）。
【００２２】
主軸２１はタービン１３と発電機１２との間の略中央部で主軸受１９により支持されている。主軸受１９はアンギュラ玉軸受１９−１、１９−２を並列に配置して構成したものであり、タービンロータ１３−１と発電機ロータ１２−１とを含めた回転体全体の略重心位置に配置されている。そして、タービンロータ１３−１の反発電機側、即ちタービン１３の高圧側の主軸端部には単列のアンギュラ玉軸受からなるタービン側軸受２８を備えている。また、発電機ロータ１２−１の反タービン側の主軸端部には、同様に単列のアンギュラ玉軸受からなる発電機側軸受１８が配置されている。
【００２３】
主軸受１９、タービン側軸受２８には、潤滑・冷却のために潤滑油が供給される。潤滑油循環ポンプ２２（図１参照）から吐出された潤滑油は潤滑油系２０から潤滑油供給配管３１ａ、３２ａを通って主軸受１９及びタービン側軸受２８に流れ、並列に供給され、潤滑油回収用配管３１ｂ、３２ｂ及び潤滑油系２０通って潤滑油循環ポンプ２２に戻る。発電機側軸受１８にも潤滑油が潤滑油系２０から潤滑油供給配管３３ａを通って供給され、図示しない潤滑油回収用配管を通って潤滑油循環ポンプ２２に戻る。潤滑油系２０を循環する潤滑油は、上述のように潤滑油冷却器２３で凝縮器１４からの凝縮液１０１で冷却される。
【００２４】
上記のように、冷却媒体ポンプ２５により、凝縮器１４からの凝縮液１０１を発電機１２、潤滑油冷却器２３及びインバータ２４に供給し、冷却に供しているが、これらの機器の少なくとも一つは凝縮液１０１の気化、即ち作動媒体の凝縮液１０１の潜熱により、冷却されるようになっている。
【００２５】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、冷却する機器は、潤滑油冷却器２３、発電機１２、インバータ２４及び制御盤に限定されるものではなく、発電装置を構成する機器の冷却を必要とする部位に冷却媒体ポンプ２５により凝縮器１４からの作動媒体の凝縮液１０１を供給し、冷却に供した後、回収した作動媒体を熱回収器２６で熱回収した後、膨張弁２７を介して凝縮器１４に戻すようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る発電装置のシステム構成を示す図である。
【図２】本発明に係る発電装置のガスタービン発電機の構成例を示した断面図である。）
【符号の説明】
【００２７】
１０      蒸気発生器
１１      気液分離器
１２      発電機
１３      タービン
１４      凝縮器
１５      媒体循環ポンプ
１６      三方弁
１７      逆止弁
１８      発電機側軸受
１９      主軸受
２０      潤滑油系
２１      主軸
２２      潤滑油循環ポンプ
２３      潤滑油冷却器
２４      インバータ
２５      冷却媒体ポンプ
２６      熱回収器
２７      膨張弁
２８      タービン側軸受
【図１】
2006009592.tif 000003
【図２】
2006009592.tif 000004