(57)【要約】【課題】低温の排熱エネルギーを有効利用し、凝縮器による作動媒体の凝縮液を安定に蒸気発生器に加圧送液することができ、安定運転のできる発電装置および発電方法を提供する。【解決手段】排熱などを回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器と、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、膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却させる凝縮器と、凝縮器にて凝縮させた作動媒体の凝縮液を蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において凝縮器１４とポンプ１５との間に、作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器１６を配置した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱などを回収し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、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において、前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、該冷却媒体を先ず前記過冷却器に導き、次いで前記凝縮器に導くことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器の途中部から該凝縮器に導くことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記過冷却器に貯留した作動媒体の凝縮液の液面を検出するセンサを設け、該センサで検出された液面位置に基づいて、前記ポンプの流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記過冷却器に貯留した作動媒体の凝縮液の温度または圧力を検出するセンサを設け、該センサで検出された凝縮液の温度または圧力に基づいて、前記ポンプの流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項６】
前記作動媒体として、沸点が４０℃程度の有機溶媒を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置。
【請求項７】
前記過冷却器において、前記凝縮液をその沸点よりも２〜３℃程度過冷却にすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置。
【請求項８】
排熱などを回収して作動媒体の高圧蒸気を生成し、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機に接続したタービンを駆動して発電を行い、前記タービンを駆動した後の蒸気を凝縮器にて冷却媒体により冷却して凝縮させ、この作動媒体の凝縮液をポンプにて前記蒸気発生器に送り込むクローズドシステムの発電方法において、
前記凝縮器にて凝縮させた作動媒体の凝縮液をさらに過冷却して、前記ポンプに送り込むようにしたことを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的低温の排熱などを回収して、この熱エネルギーを電力に変換する発電装置および発電方法に係り、特に外部条件の変動に対しても、送液ポンプのキャビテーションを防止し、安定して運転できるようにした発電装置および発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所等の高温エネルギーを利用する発電設備では、一般に水を作動媒体にして高温の蒸気を生成し、蒸気タービン発電機を回転駆動することで発電を行っている。また、ガスタービン発電設備においては、高温の燃焼ガスを生成し、これによりガスタービン発電機を回転駆動することで発電を行っている。これらはいずれも高温の熱エネルギーを電力エネルギーに変換するものである。これに対し、２００〜４００℃程度の排ガスあるいは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の廃熱を有効に利用する発電装置が知られている。この発電装置は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズシステムの発電装置であり、装置のコンパクト化のために、作動媒体として水ではなく、低沸点の作動媒体が用いられている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００３】
低沸点の作動媒体を用いた場合、作動媒体の飽和圧力が高いので、液ヘッドで作動媒体に押し込みヘッドをかけていても、冷却源の温度変動、特に、冷却水あるいは冷却空気の急激な温度変動があった場合に、凝縮器からポンプまでの間の作動媒体が沸騰蒸発し、作動媒体の送液ポンプがキャビテーションを起こすという問題がある。キャビテーションが起ると、所要の吐出ヘッドの確保ができず、作動媒体の循環に不具合をきたし、不安定な運転となり、場合によっては、蒸気発生器の液面低下により運転不能に陥るという問題があった。
【０００４】
また、蒸気発生器の熱源温度により、作動媒体の沸騰状態が変化し、気泡含有率が変動して、蒸気発生器の作動媒体の封入量が大きく変化する。作動媒体の機器間の偏りにより、たとえば、蒸気発生器側に作動媒体が行き過ぎると凝縮器側の液量が不足し、ポンプのキャビテーションが発生し、上述と同様の不具合を生じる問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１１０５１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなクローズドシステムの発電装置において、送液ポンプは凝縮器により凝縮された作動媒体の凝縮液を蒸発器に送り込むのに不可欠なものである。そして、このポンプに上述したようにキャビテーションが発生すると、発電装置が全体として動作不能となる。このため、凝縮器の冷却源の温度変動があっても、これにより作動媒体の送液ポンプでキャビテーションが発生しないようにすることが必要である。また、少ない作動媒体の封入量であっても、凝縮器側の液量が不足し、ポンプのキャビテーションが発生することを防止する必要がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、発電システムにおいて低温の廃熱エネルギーを有効利用し、凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮液をポンプによりキャビテーションを起こすことなく安定に蒸気発生器に加圧送液することができる発電装置および発電方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電装置は、排熱などを回収し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、前記膨張機を経由後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器に送り込むポンプとを備えた発電装置において前記凝縮器とポンプとの間に、前記作動媒体の凝縮液を貯留して過冷却する過冷却器を配置したことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮液を過冷却器により更に２〜３℃程度低い過冷却状態に保持することができる。したがって、凝縮器や配管系に外乱により温度変動があるような場合でも、凝縮液が過冷却状態にあるので凝縮液の沸騰等の問題が起こらない。これにより、作動媒体を加圧して蒸発器に送液するポンプのキャビテーションを効果的に防止することができ、この安定した運転を確保できる。
【００１０】
ここで、前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器に導くことが好ましい。これにより、過冷却器にまず温度の低い冷却媒体が供給されるので、過冷却効果を出し、凝縮器よりも過冷却器を低温に保ち、過冷却凝縮液を形成することができる。
【００１１】
また、前記凝縮器および過冷却器の冷却媒体を同一の媒体とし、冷却媒体を先ず前記過冷却器と凝縮器に導くと共に、前記過冷却器を出た冷却媒体を、前記凝縮器の途中部から該凝縮器に導くようにしてもよい。一般に、過冷却器は凝縮器に比して小さく、従って冷却媒体が多量で全量を過冷却器に通せない場合がある。このような時に、過冷却器と凝縮器に冷却配管を配置し、並列に接続し、過冷却器を通った冷却媒体を凝縮器の途中から直接凝縮器に導入した冷却媒体に合流させることができる。これにより、比較的大きな容量の凝縮器と小さな容量の過冷却器とをそれぞれバランスよく冷却し、過冷却器において凝縮液の過冷却状態を形成することができる。
【００１２】
また、前記過冷却器における作動媒体の凝縮液の液面を検出するセンサを設け、該センサで検出された液面位置に基づいて、前記ポンプの流量制御をすることが好ましい。また、前記過冷却器における作動媒体の凝縮液温度または圧力を検出するセンサを設け、該センサで検出された温度または圧力に基づいて前記ポンプの流量制御をするようにしてもよい。これにより、蒸発器における排熱の回収量に見合った作動媒体の流量を、上記クローズドループを構成する各機器に安定に循環させることができる。従って、過冷却器からポンプの吸込側に安定した作動媒体の凝縮液の流れを形成することができ、これによりさらにキャビテーションを効果的に防止し、発電システムの安定した運転を確保することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照ながら説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の発電装置の概要を示す。この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り、排熱などを回収し作動媒体の高圧蒸気を生成する蒸気発生器１１と、該高圧蒸気を膨張させることにより発電機１２に接続したタービン等の膨張機１３と、前記膨張機を駆動した後の低圧蒸気を冷却媒体にて冷却して凝縮液を形成する凝縮器１４と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を前記蒸気発生器１１に送り込む送液ポンプ１５とを備えている。以下、膨張機にタービンを用いるとして説明する。
【００１５】
ここで、作動媒体として、沸点が４０℃前後のＨＦＣ１２３或いはトリフルオロエタノール（ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ）等を用いている。これにより、比較的低温の２００〜４００℃程度の排ガス或いは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギーをまず作動媒体の高圧蒸気に変換し、これにより膨張機１３で発電機に直結したタービンを回転駆動し、発電を行うものである。
【００１６】
この発電装置においては、凝縮器１４と送液ポンプ１５との間に過冷却器１６を設けている。この発電装置では、送液ポンプ１５で、作動媒体を蒸気発生器１１に送り込む。作動媒体は蒸気発生器１１で排熱源などの熱エネルギーを受け、沸騰蒸発し高圧蒸気となる。この蒸気は蒸気タービンなどの膨張機１３に送り込まれ、ここで発電機１２を回転させて発電をする。排出された低圧蒸気は凝縮器１４にて、冷却水などの冷却媒体で冷却され、凝縮し、さらに過冷却器１６で過冷却され、送液ポンプに吸引され、クローズドシステムを一巡する。
【００１７】
凝縮器１４には冷却媒体の冷却配管１７を備え、タービンを駆動した後の蒸気を冷却することで凝縮液を生成する。過冷却器１６は凝縮器１４の下部に設けられた凝縮液を一時的に貯留する液溜めであり、内部に冷却媒体の配管１７ａを備えている。なお、冷却媒体（例えば冷却水）の配管１７は、まず過冷却器１６の内部に配管１７ａとして配置され、更に凝縮器１４内部の配管１７ｂに接続され、配管１７ｃとしてその出口側から取り出されている。即ち、凝縮器１４と過冷却器１６とが同一の媒体（例えば冷却水）で冷却され、冷却媒体をまず過冷却器１６に導き、次いで凝縮器１４に導き、これにより過冷却器１６において過冷却効果を出し、凝縮器１４の内部よりも凝縮液を２〜３℃程度より低温化するようにしたものである。
【００１８】
図２は、冷却媒体の配管の変形配置例を示す。一般に、過冷却器１６は凝縮器１４に比してその寸法が小さく容量が小さい。このため、冷却媒体が多量で全量を過冷却器１６に通せないような場合には、入口側の配管１７を過冷却器１６と凝縮器１４とに並列に導き（１７ｄ、１７ｅ）、過冷却器１６の配管１７ｄを通った後の冷却媒体を配管１７ｆにより凝縮器１４の配管１７ｅの途中に接続する。これにより、過冷却器１６を通った後の冷却媒体を、凝縮器１４の途中から、凝縮器１４内に初めから入った冷却媒体に合流させることができる。従って、容量の異なる凝縮器および過冷却器をバランスよく冷却し、過冷却器１６において作動媒体の凝縮液を過冷却状態にすることができる
【００１９】
また、この発電装置においては、図３に示すように過冷却器１６にその凝縮液の液面位置を検出する液面センサ１８とコントローラ１９を備えることが好ましい。液面センサ１８の出力信号はコントローラ１９に入力され、液面位置が一定に確保されるようにポンプ１５に速度制御信号が出力される。なお、凝縮液の液面位置が一定となるようにポンプ１５のオン・オフ制御により、制御してもよい。
【００２０】
これによりポンプの吸込側にかかる液面のヘッドを略一定に確保し、ポンプに安定した過冷却状態の凝縮液の供給が可能となる。従って、ポンプのキャビテーションをより確実に防止することができる。また、凝縮液の液溜めである過冷却器１６において、その凝縮液の液面を一定位置に確保することで、作動媒体の凝縮液が過冷却器１６で十分に熱交換され安定に過冷却状態を形成することができる。
【００２１】
なお、過冷却器１６において凝縮液の液面位置が一定になるようにポンプを制御するということは、蒸発器１１における蒸発量に見合った液量の凝縮液が送液されることを意味する。即ち、過冷却器における凝縮液の液面位置を一定に保持することはクローズドループを構成する蒸発器１１、膨張機１３、凝縮器１４等に略一定の流量の作動媒体を供給することを意味している。このことは、蒸発器１１で回収する熱エネルギーに見合った量の凝縮液が送られていることであり、液面位置一定制御（流量一定制御）により、回収可能な熱エネルギーの量に見合った発電を安定して行うことができる。
【００２２】
また、図４に示すように液面位置を検出する液面センサに代えて、凝縮器における作動媒体の凝縮温度（または凝縮圧力を検出、飽和温度に換算）を検出するセンサ、または過冷却器内部あるいは過冷却器出口の作動媒体温度を検出するセンサ２０を設けてもよい。そして、該センサの信号を基に、ポンプの送液流量一定制御（回転数調節あるいは流量制御弁調節）をする。これにより、上述した液面位置一定制御と同様に、回収可能な熱エネルギー量に見合った凝縮液の送液量一定制御が行え、安定した送電動作と共に、ポンプのキャビテーション防止を効果的に行うことができる。なお、ポンプ１５の吐出側から、過冷却器１６に作動媒体を循環させる配管２１を設け、作動媒体の循環を確保し、温度センサ２０の検出を確実なものにすることができる。
【００２３】
次に、凝縮液の過冷却による送液ポンプのキャビテーション防止効果について検討する。作動媒体の送液ポンプの必要押込みヘッドがＨｍｍであり、装置として１．５×Ｈｍｍで運転しているとして、外部条件が変動して作動媒体の凝縮温度が３８℃から、急に２℃程度低下した場合の作動媒体の種類による影響を考える。なお、Ｈは８００ｍｍ程度として説明する。一般の発電設備のように作動媒体が水である場合、３８℃の飽和圧力６．６ｋＰａから３６℃の飽和圧力５．９ｋＰａになったとすると、凝縮圧力の低下は液柱換算で７０ｍｍであり、有効な押込みヘッドへの影響はほとんど無いと考えてよい。
【００２４】
一方、作動媒体がたとえば、ＨＦＣ１２３ａである場合、３８℃の飽和圧力１４５ｋＰａから３６℃の飽和圧力１３５ｋＰａになったとすると、液比重が約１．４であり、凝縮圧力の低下は液柱換算で７００ｍｍあり、凝縮器１４から送液ポンプ１５への配管中にある３８℃の媒体は一挙に沸騰することになり、ポンプ１５は運転不能となる。
【００２５】
凝縮液を２〜３℃程度過冷却してから、送液ポンプに導入することにしておくと、前述のような急変があっても、配管中で沸騰することはなく、キャビテーションに対しても液柱の確保ができる。また、過冷却器を先ず冷却し、次いでこの冷却媒体で凝縮器を冷却する構成にしておくと、より確実に過冷却度が確保される。
【００２６】
蒸気発生器１１では、熱源で作動媒体が加熱沸騰されるわけであるが、排熱を熱源とする装置では熱源温度変動があり、この熱源温度変動によって作動媒体の沸騰状態が変化し、気泡含有率が変動して、蒸気発生器に保有する作動媒体の量が大きく変化する。作動媒体の各機器における保有量が，運転中に変動し，また偏ると、たとえば、蒸気発生器側に作動媒体が行き過ぎると凝縮器側の液量が不足し、送液ポンプのキャビテーションが発生する。送液ポンプのキャビテーションをより確実に防止するため、ポンプにかかる液ヘッドを凝縮液の液面位置を確保し、また凝縮液流量を確保することで、作動媒体液が過冷却器で十分に熱交換する状態にすることができる。
【００２７】
また、送液ポンプのキャビテーションをより確実に防止する他の方法として、作動媒体の過冷却度を一定に保持するようにしてもよい。即ち、凝縮器における作動媒体の凝縮温度あるいは凝縮圧力を検出し、圧力の場合は飽和温度に換算し、一方過冷却器内部あるいは過冷却器出口の作動媒体温度を検出して、作動媒体の過冷却度を算出する。そして、過冷却度を確保するように、送液ポンプの流量制御をする。
【００２８】
ポンプの送液流量を多くしすぎると、過冷却器１６の液面が低下し、伝熱面が蒸気部に露出し、凝縮液を過冷却させる伝熱面積が少なくなり、過冷却度が減少する。一方、ポンプの送液流量を少なくしすぎると、凝縮液を過冷却させる伝熱面積が多くなり、過冷却度が増大する。過冷却度を所定の値にすることで、凝縮器／過冷却器系統に保有する凝縮液を確保することができる。また、クローズドシステム内に封入する作動媒体量を調節しておくことで、蒸気発生器側の作動媒体の保有量も確保できることになり、作動媒体の循環量制御を過冷却度で調節することができる。なお、蒸気発生器の液面の異常低下時などには、流量を増大させることが必要である。
【００２９】
過冷却器１６と凝縮器１４とは、同一缶胴内に収めることもでき、また凝縮器１４の下部に凝縮液をためて、凝縮器１４の一部を過冷却器１６として動作させるようにしてもよい。
また、配管２１には、オリフィスを設け凝縮液が一定流量流れるようにして、ポンプ１５の空運転を防止できる。また、配管２１に弁を設けて、必要に応じて凝縮液を循環させるようにしてもよい。
【００３０】
また、膨張機１３にこれをバイパスする配管２３とバイパス弁２４を設けることが好ましい。例えば蒸気発生器１１で発生した高圧蒸気の圧力が高過ぎる場合には、安全のためにバイパス弁２４により逃がすことができる。なお、発電機１２を直結したタービンを備えた膨張機１３は、図１に示す横置型でも、図４に示す縦置型でも、どちらでも用いることが可能である。
【００３１】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
クローズドシステムの発電装置において、凝縮液で凝縮した凝縮液を過冷却してポンプに導入することで、ポンプのキャビテーションを効果的に防止することができる。そして比較的低温度の排熱等を利用したクローズドシステムの発電装置の安定した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の発電装置の概要を示す図である。
【図２】図１における冷却媒体配管の変形例を示す図である。
【図３】図１における発電装置でセンサとコントローラを備えた場合の構成例を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態の発電装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１１    蒸気発生器（蒸発器）
１２    発電機
１３    膨張機（タービン）
１４    凝縮器
１５    ポンプ（送液ポンプ）
１６    過冷却器
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ    冷却媒体配管
１８    液面センサ
１９    制御装置（コントローラ）
２０    温度または圧力センサ
２１    配管
２３    配管
２４    バイパス弁
【図１】
2004339965.tif 000003
【図２】
2004339965.tif 000004
【図３】
2004339965.tif 000005
【図４】
2004339965.tif 000006