(57)【要約】【課題】タービン発電機およびその周辺機器等の発熱部を効率的に冷却することができ、システム全体としての小型・コンパクト化を図ることが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１１と、高圧蒸気を膨張させることによりタービンを駆動しタービンに直結した発電機により発電するタービン発電機１３と、タービンを駆動した後の蒸気を冷却媒体にて冷却する凝縮器１４と、凝縮器にて凝縮した作動媒体の凝縮液を加圧して蒸気発生器に送り込むポンプ１５とを備えた発電装置において、ポンプ１５で加圧した作動媒体の凝縮液をタービン発電機２２の冷却器または軸受潤滑油の冷却器１８ａに導き、冷却器で冷却した後に、作動媒体を凝縮器１４に戻すようにした。【選択図】    図１
2004353571.tif 000002
【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、前記膨張機を駆動した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加圧して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、
前記ポンプで加圧した作動媒体の凝縮液を前記発電機の冷却器に導き、該冷却器で冷却した後に、前記作動媒体を前記凝縮器に戻すようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
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、前記膨張機を駆動した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加圧して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、
前記ポンプで加圧した作動媒体の凝縮液を前記発電機の軸受に供給する潤滑油の冷却器に導き、該冷却器で冷却した後に、前記作動媒体を前記凝縮器に戻すようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記発電機の軸受のうち、少なくともその一部は前記作動媒体の凝縮液を用いて潤滑・冷却するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
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膨張機を駆動し該膨張機に直結した発電機により発電を行い、前記膨張機を駆動した後の作動媒体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加圧して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を、ポンプにて加圧し、加圧した凝縮液を前記発電機またはその周辺機器の発熱部の冷却に用いることを特徴とする発電方法。
【請求項５】
前記加圧した作動媒体の凝縮液により、発電機の冷却器または軸受、または軸受の潤滑油の冷却器を冷却することを特徴とする請求項４に記載の発電方法。
【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、特にタービン発電機またはその周辺機器の作動媒体を利用した冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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発電電力として回収することが試みられている。このような低温度の廃熱の回収は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズドシステムの発電装置として実現可能であり、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】
このような小規模な用途、すなわち発電出力が１０ｋＷ程度以下の設備などでは、設置スペースを小さく抑え、導入コストの回収期間を短縮する観点から、より高速・小型化したタービン発電機が求められている。特許文献２は、軸流式の多段蒸気タービンと同一軸に発電機を設けた蒸気タービン発電機を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１０５１４号公報
【特許文献２】
特表２００１−５２５５１２号公報
【０００５】
【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、タービン発電機は例えば毎分数万回転以上の高速回転にすると、非常に小型・コンパクト化されるが、ステータ部等においてかなり発熱する。そして、発熱部は発電機外表面から一般に空気または水等の冷却液により冷却されているが、コンパクトになり過ぎると表面積が減少し、冷却が難しくなるという問題がある。また、タービン発電機の軸受に供給する潤滑油も軸受を潤滑・冷却すると発熱し昇温するため、冷却が必要となる。この潤滑油の冷却に用いられる冷却器も、空気あるいは水等が冷却媒体として用いられるが、その通路確保が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、小型・コンパクト化したタービン発電機およびその周辺機器等の発熱部を効率的に冷却することができ、システム全体としての小型・コンパクト化を図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。
【０００７】
【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、前記膨張機を駆動した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加圧して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、前記ポンプで加圧した作動媒体の凝縮液を前記発電機の冷却器に導き、該冷却器で冷却した後に、前記作動媒体を前記凝縮器に戻すようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
上述した本発明によれば、水よりも低沸点の作動媒体を冷却媒体として用いることで、システムの配管系を小口径にできると共に、高い冷却効率で発熱部を冷却することができる。このため、装置全体またはシステム全体としてのコンパクト化を達成できる。
【０００９】
すなわち、例えばタービン発電機は毎分数万回転以上の高速回転速度とし、小型・コンパクト化した構造が得られるが、タービン発電機の外形寸法が小さくなり、空気等の冷却は殆ど不可能である。しかしながら、作動媒体の凝縮液をタービン発電機の外表面に設けた発電機の冷却器に導き、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用して冷却することで、作動媒体の密度が空気に比して数桁大きいことから効率的な冷却が可能になる。また、潜熱を利用する場合にはその量を減らすことも可能である。
【００１０】
また、例えばタービン発電機の各部の軸受を潤滑した潤滑油も空冷または冷却水による冷却ではなく、作動媒体の凝縮液による冷却を用いることで、作動媒体の密度が空気に比して数桁大きいことから効率的な冷却が可能になる。同様に、潜熱を利用する場合には、その量を減らすことも可能である。温度上昇した作動媒体、あるいは蒸発した作動媒体は凝縮器に導き、容易に冷却して凝縮することができる。
【００１１】
また、タービン発電機の軸受の負荷が小さい場合には、潤滑油などの特別な油ではなく、作動媒体の凝縮液を直接用いて潤滑・冷却してもよい。この場合にも軸受の冷却に用いる作動媒体をタービン発電機の冷却および潤滑油の冷却にも兼用できる。しかしながら、軸受の潤滑は凝縮液の状態で行うことが好ましいので、最初に軸受を潤滑・冷却し、その後タービン発電機の冷却器等を冷却するように用いることが好ましい。
【００１２】
タービン発電機の冷却器または潤滑油の循環系の冷却器に冷却水を使うとスケールが付着しメンテナンスが必要であるという問題がある。しかしながら、上述したように作動媒体を冷却媒体として用いることでスケールの付着という問題が一切なくなる。
【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。なお、この実施形態では、膨張機としてタービンを用いる例について説明するが、スクリュウ型の膨張機やスクロール型の膨張機などの他の形式の膨張機についても同様に適用が可能である。
【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、廃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２２に接続したタービンを駆動するタービン発電機１３と、前記タービン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加圧して前記蒸気発生器１１に送り込む送液ポンプ１５とを備えている。
【００１５】
ここで、作動媒体として、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。これにより、比較的低温の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、これによりタービン発電機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。この蒸気はタービンと発電機が直結したタービン発電機１３に送り込まれ、ここで高圧蒸気の膨張によりタービンを駆動して発電機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、必要に応じてさらに過冷却器で過冷却され、送液ポンプ１５に吸引され、クローズドシステムを一巡する。
【００１７】
この発電システムにおいては、発電機２２のステータ部の冷却に作動媒体を用いている。すなわち、送液ポンプ１５で加圧した作動媒体の凝縮液の一部を発電機２２の冷却ジャケット（図２の符号３８参照）に導入し、発電機のステータ部を作動媒体により直接冷却する。冷却後の作動媒体は凝縮器１４に戻され、冷却媒体により冷却されて凝縮液に戻る。ここで、作動媒体の密度が空気に比して数桁大きいことから、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用して冷却することで、高密度に発熱するステータ部の効率的な冷却が可能になる。
【００１８】
また、送液ポンプ１５で加圧された凝縮液の一部は潤滑油タンク１８において潤滑油の冷却に用いられる。このタービン発電機１３では、その主軸が軸受３５，３６，３７により支持されている。そして、各軸受には、潤滑油供給ポンプ１７により潤滑油タンク１８に貯留された潤滑油が加圧して各軸受に供給される。各軸受３５，３６，３７を潤滑・冷却した潤滑油は加熱されて昇温した状態でタンク１８に戻される。そして、潤滑油タンク１８においては冷却器１８ａを備え、この冷却器に作動媒体を供給することで昇温した潤滑油を冷却する。ここにおいても、作動媒体は空気に比して密度が数桁大きいことから、作動媒体の顕熱あるいは蒸発潜熱を利用することで効率的な冷却が可能になる。冷却器１８ａにより潤滑油を冷却した作動媒体は凝縮器１４に戻され、再び冷却・凝縮されて凝縮液となり送液ポンプ１５により再びクローズドループを循環する。
【００１９】
なお、負荷が軽い軸受においては、作動媒体の凝縮液を直接その潤滑・冷却に用いることが可能である。したがって、凝縮液の送液ポンプ１５で加圧された凝縮液を負荷の軽い例えば軸受３６に直接導入することができる。このような場合には、軸受３６を潤滑・冷却した作動媒体はそのまま作動媒体の高圧蒸気と共に膨張してタービンを駆動し、発電に寄与した後に、低圧蒸気となり凝縮器１４に戻される。このように作動媒体で軸受を直接潤滑・冷却することで、潤滑油供給ポンプ１７の負担を軽減し、全体としてシステムを効率的なものとすることができる。
【００２０】
なお、作動媒体を用いた冷却は、タービン発電機の発熱が大きなステータ部の冷却と、潤滑油の冷却器に並列に導いて並列に冷却を行ってもよいが、直列に導いて同一媒体で両者を冷却するようにしてもよい。
【００２１】
図２は、低温の廃熱エネルギーを有効に回収利用して発電するのに好適な、本発明の実施形態のガスタービン発電機の構成例を示す。このガスタービン発電機は、高圧蒸気を膨張させることによりタービン２１を回転駆動し、このタービンに直結した発電機２２を回転駆動することで、発電を行うものである。即ち、このタービン発電機は、軸流式のタービン２１とＤＣブラシレス発電機２２とを備え、このタービンロータ２３と発電機ロータ２４とが一体的に単一軸の主軸２５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２５の上部にタービンロータ２３が固定され、主軸２５の下部に発電機ロータ２４が固定されている。但し、このタービン発電機を横置きとして使用しても良いことは勿論である。
【００２２】
タービンロータ２３には、複数の動翼２７が軸方向に配列して固定され、その動翼２７の外側に複数の静翼２８を備えたタービンケーシング２９が配置されている。また、タービンケーシング２９の外側には外胴３１が設けられ、タービンケーシング２９と外胴３１の間をタービンを回転駆動した後の作動媒体の低圧蒸気が流れる流路３３ｂを構成している。タービンの吸込側には、吸込管３２が配置され、タービンの吸込側に接続した高圧蒸気からなる作動媒体のガス流路３３ａを構成している。すなわち、この吸込管３２は、タービンの外胴３１、または外胴に接続されるタービン吐出管３４の内部に収容され、タービン吸込管３２とタービン吐出管３４とが二重管構造をなしている。従って、二重管の内側のタービン吸込管３２からタービン２１に流入した作動媒体の高圧蒸気はタービンロータ２３を回転駆動し、低圧となった作動媒体の蒸気が二重管の外周部であるタービン吐出管３４の内部の流路３３ｂを通って流出する。
【００２３】
発電機ロータ２４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２４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２６が配置されている。また、発電機ステータ２６の外周部には冷却ジャケット３８が設けられ、冷却液として作動媒体が供給され、発熱する発電機、特に発電機ステータ２６を効率的に冷却する。作動媒体を冷却液として用いることで、冷却水のようなスケールの付着という問題を防止できる。
【００２４】
この発電機２２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２６に設けられた巻線部から動力線４０を介して外部に取り出される。動力線４０はコネクタ４３を介して図示しない周波数変換器に接続され、交流発電機２２の発電出力は周波数変換器によって所定の周波数・電圧（例えば６０Ｈｚ・２００Ｖ）に変換され、負荷機器に電力が供給される。
【００２５】
発電機ロータ２４の反タービン側の主軸端部には回転速度を検出するセンサ４１が設けられ、主軸２５の回転速度が検出される。センサ４１の出力は信号線４２によりコネクタ４３を介して外部に伝達される。なお、タービン発電機の回転速度は、タービンに供給される作動媒体の高圧蒸気の供給量または供給圧力を調整することで調整することができる。すなわち、タービン発電機が安全に運転可能な許容回転速度以下の範囲において、発電量を増加させる場合は供給する作動媒体の高圧蒸気量を増加させ、発電量を減少させる場合は作動媒体の高圧蒸気量を低減することで発電量を制御することができる。このとき、回転速度センサ４１によって回転速度を検出しつつ、タービンへの高圧蒸気の供給量または供給圧力を電動バルブ１６（図１参照）などでコントロールすることで上記調整が可能である。また、作動媒体の供給量は、作動媒体の送液ポンプ１５（図１参照）の速度を制御することによっても行うことができる。
【００２６】
主軸２５はタービン２１と発電機２２との間の略中央部で主軸受３５により支持されている。主軸受３５はアンギュラ玉軸受３５ａ，３５ｂを並列に配置して構成したものであり、タービンロータ２３と発電機ロータ２４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２３の反発電機側、すなわちタービン２１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補助軸受３６を備えている。また、発電機ロータ２４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補助軸受３７が配置されている。
【００２７】
このように、このタービン発電機においては、主軸２５は中央の主軸受３５およびタービン側軸端部と発電機側軸端部とにそれぞれ設けられた補助軸受３６，３７によって支持されている。すなわち、このタービン発電機においては、主軸受３５を回転体全体の重心付近に配置し、これに軸受としての主たる負荷を分担させ、主軸の両端部に小径の補助軸受３６，３７を補助的に振止め用として配置したものである。したがって、高速大負荷の主軸受を１カ所のみとすることができ、振止め用の補助軸受は小型のものを採用することができる。このため、発電機の信頼性を確保しつつ、よりコンパクトに且つ低コストにこのタービン発電機を製造できる。また、タービン軸端部に設けられた補助軸受３６は、作動媒体の高圧蒸気流路３３ａの内周側に配置する必要があるが、これを作動媒体の凝縮液を用いて直接冷却することができる。
【００２８】
主軸受３５、タービン側補助軸受３６、および発電機側補助軸受３７には、潤滑・冷却のために潤滑油が供給される。潤滑油供給用ポンプ１７（図１参照）から吐出された潤滑油は、潤滑油供給用配管４６ａ，４７ａを介して、主軸受３５および補助軸受３６に流れ、並列に供給され、潤滑油回収用配管４６ｂ，４７ｂを介して潤滑油供給用ポンプに戻る。補助軸受３７にも潤滑油が順次あるいは並列に供給される。この際、必要に応じて油冷却器や除塵フィルタが各部に設けられる。これらの軸受を潤滑・冷却することで加熱された潤滑油はタンク１８（図１参照）に戻され、作動媒体により冷却される。
【００２９】
また、各軸受に供給された潤滑油の一部は、タービンの作動媒体に混入し、更にその一部は発電機内部にも浸入するため、潤滑油と作動媒体を分離する図示しない油分離装置が別途設けられる。分離された潤滑油は潤滑油循還用ポンプに戻り、同じく分離された作動媒体は凝縮されて作動媒体の送液ポンプに戻る。なお、上記タービン発電機はタービン２１が上部に、発電機２２が下部となる縦軸の構成になっているため、自然流下によって集まった油を分離するための油分離装置の好ましい取付位置は発電機２２の下端部となる。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
クローズドシステムの発電装置において、凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮液を用いてタービン発電機や周辺機器の冷却を行うようにしたので、作動媒体の有する大きな蒸発潜熱等を利用して効率的な冷却ができる。また、冷却水の場合のスケールの付着等が防止され、メンテナンス性の良好な冷却が行える。
【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のタービン発電機の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１    蒸気発生器
１３    タービン発電機
１４    凝縮器
１５    作動媒体の送液ポンプ
１６    電動弁
１７    潤滑油供給ポンプ
１８    潤滑油タンク
１８ａ    冷却器
２２    ＤＣブラシレス発電機
２３    タービンロータ
２４    発電機ロータ
２５    主軸
２６    発電機ステータ
２７    動翼
２８    静翼
２９    タービンケーシング
３１    外胴
３２    タービン吸込管
３３    ガス流路
３４    タービン吐出管
３５    主軸受
３６    タービン側補助軸受
３７    発電機側補助軸受
３８    冷却ジャケット
４０    動力線
４１    回転速度センサ
４２    信号線
４３    コネクタ
４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ    潤滑油配管
【図１】
2004353571.tif 000003
【図２】
2004353571.tif 000004