(57)【要約】【課題】アンモニア水溶液を媒体として用いた発電システムにおいて、タービンに供給される作動流体中のミストによって、当該タービンのブレードにエロージョン等に起因する損傷が発生することを抑止することができる排熱による発電システムを提供する。【解決手段】沸点の異なる２種類の流体を含む作動流体を流通させる環状の主流路１０に、ポンプ１１と、予熱用の再生器１２と、排熱を熱媒体とする蒸発器１３と、得られた湿り蒸気を低沸点の上記流体が高濃度に含まれる蒸気と高沸点の上記流体の濃度が高められた液体とに分離する分離器１５と、分離された上記蒸気によって回転駆動されるタービン１９と、凝縮器２１とが順次配設され、分離器１５で分離された上記液体を再生器１２を通して凝縮器２１の上流側に戻す副流路２２とを備え、さらに主流路１０の分離器１５の下流側であって、かつタービン１９の上流側に、上記蒸気を過熱する過熱器１６を介装した。【選択図】図１
2008101521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点の異なる２種類の流体を含む作動流体を流通させる環状の主流路に、上記作動流体を循環させるポンプと、このポンプから排出された上記作動流体を予熱する再生器と、上記作動流体を排熱によって加熱して蒸発させる蒸発器と、この蒸発器によって得られた湿り蒸気を低沸点の上記流体が高濃度に含まれる蒸気と高沸点の上記流体の濃度が高められた液体とに分離する分離器と、この分離器で分離された低沸点の上記流体が高濃度に含まれる蒸気によって回転駆動されるとともに発電機に連結されたタービンと、このタービンから排出された上記作動流体を凝縮する凝縮器とが順次配設されるとともに、上記分離器で分離された上記液体を上記再生器の熱媒体として供給するとともに、上記凝縮器の上流側に戻す副流路とを備えた排熱による発電システムにおいて、
上記主流路における上記分離器の下流側であって、かつ上記タービンの上流側に、上記蒸気を過熱する過熱器を介装したことを特徴とする排熱による発電システム。
【請求項２】
上記２種類の流体は、アンモニアおよび水であり、かつ上記過熱器は、上記蒸気を上記分離器における温度よりも１０℃以上高い温度まで過熱することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場等から排出される比較的低温の排熱を利用して発電を行うための発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年における省エネルギー化の要請の高まりから、各種工場等の大規模施設において無駄に排出されていた１００℃程度の比較的低温の排熱を有効利用して発電を行う、各種の発電システムが開発されている。
ところで、このような低温の排熱を利用して蒸気タービンを回転駆動することにより発電を行うには、その作動流体として沸点が水（常圧；１００℃）より低いものを用いる必要がある。
【０００３】
このため、上記作動流体として、沸点が低く（常圧；−３３．４℃）、かつエンタルピ落差を取りやすいアンモニア純物質を用い、当該アンモニア純物質を環状の閉流路を循環させつつ、蒸発器において１００℃程度の排熱によって蒸発させ、タービンに送ってこれを回転駆動して発電した後に、冷却水によって凝縮させ、再び上記蒸発器に循環供給するランキンサイクルによる発電システムが研究されていた。
【０００４】
しかしながら、上記ランキンサイクルによる発電システムにあっては、アンモニア純物質を用いている結果、蒸発温度が圧力と温度とによって一義的に決定されるために、特にこれら圧力条件あるいは温度条件が変動する排熱による発電には、そのまま適用することが困難であるという問題点があり、実用に至っていない。
【０００５】
そこで、上記アンモニア純物質に代えて、水とアンモニアとを混合した高濃度アンモニア水溶液を上記作動流体として用いた、カリーナサイクルによる発電システムが開発され、かつ実用にも供されている。
下記特許文献１は、従来の上記アンモニア水溶液を作動流体として用いたカリーナサイクルによる発電システムを示すものである。
【０００６】
この発電システムは、図２に示すように、閉じられた環状の流路１に、順次ポンプ２、再生器３、蒸発器４、分離器５、タービン６および吸収器７が配設されるとともに、分離器５の底部から再生器３および減圧弁８を経て吸収器７の上流側に接続された並列流路９が設けられたものである。
【０００７】
上記従来の発電システムにおいては、ポンプ２から排出された約９２％の高濃度アンモニア水溶液からなる作動流体を、再生器３において予熱した後に、蒸発器４において加熱媒体によって加熱して蒸発させ、得られた湿り蒸気を分離器５に送ってアンモニア濃度が高められた蒸気とアンモニア濃度が低下したアンモニア水溶液とに分離し、分離された高濃度アンモニアの蒸気によってタービン６を駆動する。
【０００８】
そして、タービン６から排出された高濃度アンモニア蒸気と、分離器５で分離されて並列流路９から再生器３に送られ、熱媒体として作動流体の予熱に用いられた後に減圧弁８において減圧されたアンモニア水溶液とを吸収器７に送り、アンモニア水溶液中に高濃度アンモニア蒸気を吸収させるとともに冷却媒体によって凝縮させて、再びポンプ２により循環させるようになっている。
【０００９】
上記従来の発電システムによれば、水よりも遙かに沸点の低い高濃度のアンモニア水溶液を作動流体として用いているために、比較的温度の低い加熱媒体によって運転することができるとともに、水とアンモニアとの混合流体である作動流体においては、蒸発温度が連続的に変化する（非等温蒸発・凝縮特性）ために、例えば工場排熱のように加熱媒体の圧力や温度が変動する場合にも、使用することができるという利点がある。
【００１０】
また、タービン６の排気を吸収器７において並列流路９から送られてきた低濃度のアンモニア水溶液に吸収させることにより、上記タービン６の排気圧力を強制的に下げる効果が得られ、この結果タービン６における発電効率を向上させることができるという利点もある。
【特許文献１】特開昭５７−２００６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の発電システムにあっては、分離器５において、蒸発器４から排出された湿り蒸気からアンモニア濃度が高められた蒸気を分離してタービン６に送る際に、上記作動流体中の液滴分を完全に分離することは困難である。このため、上記液滴分に起因してタービン６に送られる蒸気中にミクロン単位のミストが同伴し、当該ミストによりタービン６のブレードなどにエロージョン等が生じて損傷を受けてしまうという問題点があった。ちなみに、上記エロージョンの発生は、タービン６のブレードとして耐食性に優れるチタンを用いた場合にも避けることができなかった。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、アンモニア水溶液を媒体として用いた発電システムにおいて、タービンに供給される作動流体中のミストによって、当該タービンのブレードにエロージョン等に起因する損傷が発生することを抑止することができる排熱による発電システムを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、沸点の異なる２種類の流体を含む作動流体を流通させる環状の主流路に、上記作動流体を循環させるポンプと、このポンプから排出された上記作動流体を予熱する再生器と、上記作動流体を排熱によって加熱して蒸発させる蒸発器と、この蒸発器によって得られた湿り蒸気を低沸点の上記流体が高濃度に含まれる蒸気と高沸点の上記流体の濃度が高められた液体とに分離する分離器と、この分離器で分離された低沸点の上記流体が高濃度に含まれる蒸気によって回転駆動されるとともに発電機に連結されたタービンと、このタービンから排出された上記作動流体を凝縮する凝縮器とが順次配設されるとともに、上記分離器で分離された上記液体を上記再生器の熱媒体として供給するとともに、上記凝縮器の上流側に戻す副流路とを備えた排熱による発電システムにおいて、上記主流路における上記分離器の下流側であって、かつ上記タービンの上流側に、上記蒸気を過熱する過熱器を介装したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の上記２種類の流体が、アンモニアおよび水であり、かつ上記過熱器が、上記蒸気を上記分離器における温度よりも１０℃以上高い温度まで過熱することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１または２に記載の排熱による発電システムによれば、タービンの上流側において、分離器において分離された低沸点の流体が高濃度に含まれる蒸気を、さらに過熱器によって過熱することにより、上記蒸気中に同伴したミクロン単位のミストを消滅させることができ、よって上記ミストによりタービンのブレードなどにエロージョン等が生じて損傷を受けることを防止することができる。
【００１６】
加えて、作動流体は、閉じられた環状の主流路中を循環されているために、タービンの上流側において過熱された場合に、温度が上昇するのみならず、タービンを回転駆動するための圧力も高くすることが可能になる。この結果、上記過熱器にも、排熱を供給することにより、当該排熱を利用してタービン出力、すなわち発電機による発電量も増加させることができ、よって一層の省エネルギー化を図ることもできる。
【００１７】
この際に、請求項２に記載の発明のように、アンモニア水溶液を作動流体とする発電システムにおいて、分離器で分離された高アンモニア濃度の蒸気を上記分離器における温度よりも１０℃以上高い温度まで過熱すれば、確実に当該蒸気中に同伴したミクロン単位のミストを消滅させることができて好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明に係る排熱による発電システムをカリーナサイクルによる発電システムに適用した一実施形態を示すものであり、図中符号１０が作動流体であるアンモニア水溶液が循環される環状の主流路である。
この主流路１０には、上記アンモニア水溶液を循環させるポンプ１１と、このポンプ１１から排出されたアンモニア水溶液を予熱する再生器１２と、この再生器１２において予熱されたアンモニア水溶液を加熱して蒸発させる蒸発器１３とが順次設けられている。
【００１９】
そして、蒸発器１３には、加熱媒体として工場等で排出された蒸気等の排熱の供給ライン１４が導入されている。また、この蒸発器１３の下流側には、当該蒸発器１３によって得られた湿り蒸気を、高アンモニア濃度の蒸気とアンモニア濃度が低下したアンモニア水溶液とに分離する分離器１５が設けられ、この分離器１５の下流側には、分離された高アンモニア濃度の蒸気を供給ライン１７から供給される蒸気によってさらに過熱する過熱器１６が設けられている。
【００２０】
そして、過熱器１６の下流側に、過熱された高アンモニア濃度の蒸気によって回転駆動されるとともに発電機１８が連結されたタービン１９と、このタービン１９から排出された高アンモニア濃度の蒸気を、水供給ライン２０から供給される冷却水によって凝縮する凝縮器２１が順次配設されている。
【００２１】
他方、分離器１５の底部には、当該分離器１５で分離されたアンモニア水溶液を抜き出す副流路２２が接続されている。そして、この副流路２２は、上記アンモニア水溶液を再生器１２の熱媒体として供給するとともに、この再生器１２の出口側が、減圧弁２３を介して凝縮器２１の上流側における主流路１０に接続されている。なお、図中符号２４は、凝縮器２１を経たアンモニア水溶液を一旦貯留するタンクである。
【００２２】
以上の構成からなる排熱による発電システムにおいては、先ずタンク２４内のアンモニア濃度が約９２％のアンモニア水溶液を、ポンプ１１によって再生器１２に送って予熱した後に、蒸発器１３において供給ライン１４から供給される蒸気（排熱）によって加熱して蒸発させる。次いで、この蒸発器１３で得られた湿り蒸気を、分離器１５に送ってアンモニア濃度が９９％以上に高められた蒸気とアンモニア濃度が７０％弱まで低下したアンモニア水溶液とに分離する。
【００２３】
そして、分離された高濃度アンモニアの蒸気を、過熱器１６に送り、供給ライン１７から供給される蒸気（排熱）によって約１１０℃まで過熱した後に、タービン１９を駆動することにより発電機１８を回転させて発電を行う。次いで、タービン１９から排出された高濃度アンモニア蒸気は、後段の凝縮器２１に送られる。
【００２４】
他方、分離器１５で分離された低アンモニア濃度のアンモニア水溶液は、副流路２２から再生器１２に送られ、上述したポンプ１１によって送られてくるアンモニア水溶液を予熱した後に減圧弁２３において減圧されて凝縮器２１に送られる。そして、この凝縮器２１において、高濃度アンモニア蒸気が低アンモニア濃度のアンモニア水溶液に吸収されるとともに、水供給ライン２０から供給される冷却水によって冷却された凝縮し、再びタンク２４へと循環供給される。
【００２５】
ちなみに、図１中の丸印で囲んだ１〜９で示す各位置における作動流体の温度、圧力およびアンモニア水溶液中のアンモニア成分の割合についての計画値は、下記表１に示すとおりである。
【表１】
2008101521.tif 000003
【００２６】
以上のように、上記構成からなる排熱による発電システムによれば、工場等で発生する比較的温度の低い排熱によって運転することができるとともに、作動流体としてアンモニア水を用いているために、上記蒸気の圧力や温度が変動する場合にも、効率的に発電を行うことができ、よってこれまで廃棄されていた排熱の有効利用を図ることができる。
【００２７】
この際に、タービン１９の上流側において、分離器１５で分離された高アンモニア濃度の蒸気を、過熱器１６において、分離器１５における温度よりも１０℃以上高い温度まで過熱しているために、上記蒸気中に同伴したミクロン単位のミストを確実に消滅させることができ、よって上記ミストによりタービン１９のブレードなどにエロージョン等が生じて損傷を受けることを防止することができる。
【００２８】
なお、上記実施の形態においては、本発明に係る排熱による発電システムをカリーナサイクルによる発電システムに適用した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、例えば図１に示した発電システムのタービン１９に代えて、直列的に配置された２基のタービンを設置するとともに、再生器１２の前段に作動流体の加熱器を増設し、第１段のタービンの排気を上記加熱器に送って作動流体を予熱することにより、凝縮器の負荷を軽減させるようにした、例えば特公平７−９４８１５号に記載されているような発電システムに対しても、同様に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の排熱による発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】従来のカリーナサイクルによる発電システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  主流路
１１  ポンプ
１２  再生器
１３  蒸発器
１５  分離器
１６  過熱器
１８  発電機
１９  タービン
２１  凝縮器
２２  副流路
【図１】
2008101521.tif 000004
【図２】
2008101521.tif 000005