(57)【要約】【課題】  復水器のような熱交換器に熱交換媒体として水を供給する熱交換水系統において、通常運転に支障を与えることなく水力エネルギーを利用して発電する発電システムを提供する。【解決手段】  発電システムは、冷却水を取水する取水路２と、タービン蒸気を冷却水で冷却する復水器３と、取水路２から冷却水を汲み上げて復水器３に送水する循環ポンプ４と、循環ポンプ４と復水器３を接続する取水管５と、放水路８と、復水器３から冷却水を放水路８に導く排水管９と、排水管９に設けられた復水器出口弁１０とを備えた熱交換冷却水系統１において、復水器出口弁１０の下流側に設けられ、復水器出口弁１０の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する水車１１と、この水車１１の回転に応じて発電する発電機１２とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器と、該熱交換器に熱交換媒体として利用される水を供給する水供給手段と、該水供給手段から前記熱交換器に水を導く取水管と、前記熱交換器の下方に位置する水放出手段と、前記熱交換器から前記水放出手段に水を導く排水管と、該排水管を流れる水の流量を制限する絞り弁とを備えた熱交換水系統において、
前記絞り弁より下流側に設けられ、前記絞り弁の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する水車と、該水車の回転に応じて発電する発電機とを備え、
前記絞り弁を全開運用して前記排水管を流れる水により前記水車を回転させるようにしたことを特徴とする水力発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の水力発電システムにおいて、
前記水放出手段は、放水口から水を放出する放水路であることを特徴とする水力発電システム。
【請求項３】
請求項２記載の水力発電システムにおいて、
前記水供給手段は、取水口から水を取水する取水路と、前記取水路から水を汲み上げる循環ポンプとで構成されている
ことを特徴とする水力発電システム。
【請求項４】
請求項２記載の水力発電システムにおいて、
前記水供給手段は、前記熱交換器の上方に位置し、取水口から水を取水する取水路である
ことを特徴とする水力発電システム。
【請求項５】
請求項３又は４記載の水力発電システムにおいて、
前記熱交換器は、タービン蒸気を水で冷却する復水器である
ことを特徴とする水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に水を供給して熱交換した水を放出する熱交換水系統に設けられる発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な既存の施設や設備等において、未利用エネルギーの有効利用が進められており、その利用形態としては、発電すなわち電気エネルギーへの変換が有用である。中でも水力発電は、他の発電方式に比べてエネルギー変換効率が高い利点を有しており、従来見過ごされていた小落差（水力エネルギー）を利用したマイクロ水力発電も進められている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、トイレ、洗面所、風呂場、台所、及び空調システム等の水利用施設の配管内に設置され、この配管内を流れる水により発電する発電機と、発電電力を蓄電する蓄電池とを備え、配管内に水を流す度に蓄電池に蓄電して、蓄えた電気を水利用施設の電気機器に供給する水力発電システムが提案されている。しかし、ここでは、水力エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換すると、水力エネルギーが減少して流量が減少してしまうことが考慮されていない。
【０００４】
また、既存の発電所においても、未利用エネルギーが有効利用できれば、発電所の総合効率の向上に寄与することとなる。
【０００５】
例えば、汽力発電所では、タービン蒸気を冷却するための熱交換媒体として海水が大量に使用されており、この海水の持つエネルギーの利用が考えられる。その前提として、汽力発電所における海水利用状況をみると、汽力発電所において汲み上げた海水をタービン蒸気と熱交換する熱交換器の一種の復水器に供給する復水器冷却水系統が設置されている。これによると、循環ポンプにより取水路から汲み上げられた海水は、取水管を介して復水器に送水され、復水器から排水管を介して放水路に排水される。このような水系統では、流量を調整するため、取水管には、循環ポンプの出口側と復水器の入口側にそれぞれ弁が設けられ、排水管には、復水器の出口側に弁が設けられている。
【０００６】
この復水器冷却水系統では、冷却効率の点からは上記の弁を全開して運用（以下「全開運用」という）することが好ましいが、汽力発電所の中には、循環ポンプの過負荷運転防止その他の理由により、例えば復水器の出口側の弁（復水器出口弁）の開度を絞って運用（以下「絞り運用」という）しているものがある。以下、絞り運用に用いられる弁を「絞り弁」という。
【０００７】
また、下記特許文献２に示されるように、発電設備のタービン蒸気を再利用する復水器を冷却するための復水器冷却装置において、液面レベル差の変動によらずに冷却水を安定に供給するために、取水槽と放出槽における液面レベルを測定してそれらの液面レベルの差に基づいて循環ポンプ出口弁の開度を制御することにより復水器冷却水の流量を調整するようにした復水器冷却水流量調整装置及び調整方法が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２５３７２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２１８９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような復水器冷却水系統又は冷却装置を備えた汽力発電所において、エネルギーを有効利用するために、冷却水のもつ水力エネルギーによって発電することが考えられる。そこで、冷却水の流れで駆動する発電機を用いて水力エネルギーを電気エネルギーに変換すると、当然に水力エネルギーはその変換エネルギー分減少することとなる。しかしながら、上記のように絞り運用している復水器冷却水系統では、水力エネルギーの減少により、冷却水の流量が減少して必要十分な流量を復水器に供給できなくなってしまい、本来の機能を損なうことになる。
【００１０】
従って、復水器冷却水系統を絞り運用している汽力発電所においては、水力エネルギーを有効に利用できないという問題点があった。
【００１１】
本発明は、以上の事情に鑑みて発明されたものであり、その目的は、復水器のような熱交換器に熱交換媒体として水を供給する熱交換水系統において、通常運転に支障を与えることなく水力エネルギーを利用して発電する水力発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、熱交換器と、該熱交換器に熱交換媒体として利用される水を供給する水供給手段と、該水供給手段から前記熱交換器に水を導く取水管と、前記熱交換器の下方に位置する水放出手段と、前記熱交換器から前記水放出手段に水を導く排水管と、該排水管を流れる水の流量を制限する絞り弁とを備えた熱交換水系統における水力発電システムであって、前記絞り弁より下流側に設けられ、前記絞り弁の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する水車と、該水車の回転に応じて発電する発電機とを備え、前記絞り弁を全開運用して前記排水管を流れる水により前記水車を回転させるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
この水力発電システムによれば、絞り弁を全開運用している状態で、水供給手段が取水管を通して熱交換器に水を供給する。熱交換器で熱交換した水は、排水管の下流側に設けられた水車に至り、水車を回転させる。このとき、水車は、上記絞り弁の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する。この水車の回転運動は、発電機で電気エネルギーに変換され、電力として利用される。その一方で、熱交換器水系統は、従来絞り弁の開度を絞って絞り運用しているのと同様な状態となる。こうして水車で水力エネルギーの一部を失った水は、排水管により水放出手段に導かれ、放出される。
【００１４】
本発明の実施態様では、水放出手段は、放水口から水を放出する放水路である。また、水供給手段は、取水口から冷却水を取水する取水路と、この取水路から水を汲み上げる循環ポンプとからなる。或いは、水供給手段は、熱交換器の上方に位置して、取水口から水を取水する取水路である。
【００１５】
更に、熱交換器は、例えば、タービン蒸気を冷却水で冷却する復水器である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱交換器に水を供給する熱交換水系統において、絞り弁で絞り運用しているのと同様な状態で水力エネルギーを電気エネルギーに変換できるので、通常運転による水供給を妨げることなく、従来未利用であった水力エネルギーの利用が可能となる。よって、本発明の発電システムは、上記のような冷却水系統を備えた汽力発電所における総合効率の向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明者らは、未利用の水力エネルギーの有効利用を図るため、既設の汽力発電所及び小水力発電設備の現状を調査し、最も効果が期待できる汽力発電所を選定して、マイクロ水力発電設備を設置できるか否かを判断するために必要な水力エネルギー取出しの可能性について検討した。
【００１８】
そして、汽力発電所の中には、復水器冷却水系統の圧力損失の観点からすれば、絞り弁を全開運用するのが好ましいにも拘わらず、循環ポンプの過負荷運転防止その他の理由により、復水器出口側の絞り弁を全般的に50 ％ 前後の開度として絞り運用している発電所があることから、復水器出口弁の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーを取り出し、これを発電に利用できる可能性があるという知見を得るに至った。
【００１９】
従って、従来絞り運用していた絞り弁を全開運用し、絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーを電気エネルギーに変換するようにすれば、従来の復水器冷却水系統の運転に支障を与えることなく、水力発電が可能となる。
【００２０】
以下、上記知見の基になった復水器冷却水系統の圧力損失について説明する。
【００２１】
図１は、復水器冷却水系統と水頭勾配線との対応関係を示す。復水器冷却水系統１は、取水口から冷却水（例えば、海水）を取水する取水路２と、タービン蒸気を冷却水で冷却する復水器３と、取水路２の水中から冷却水を汲み上げて復水器３に送水する循環ポンプ４と、循環ポンプ４と復水器３を接続する取水管５と、取水管５に設けられた循環ポンプ出口弁６及び復水器入口弁７と、放水口を有する放水路８と、復水器３から排出した冷却水を放水路８の水中に導く排水管９と、排水管９に設けられた復水器出口弁１０とを備えている。ここで、通常運転では、循環ポンプ出口弁６及び復水器入口弁７を全開運用し、復水器出口弁１０を絞り運用しているが、これらの弁は、いずれも冷却水の流量を調節可能であり、流量を制限する絞り弁として使用できる。
【００２２】
また、循環ポンプ４の入口及び排水管９の出口が水中にあり、通水状態で取水管５、排水管９及び復水器３の水室における空気抜きによってサイホンが形成されている。
【００２３】
この復水器冷却水系統１において、冷却水は、循環ポンプ４により取水路２から汲み上げられて、循環ポンプ出口弁６及び取水管５を通り、復水器入口弁７を経て復水器３に供給され、ここで熱交換した冷却水は、復水器出口弁１０及び排水管９を通って放水路８に排水される。この一連の送水のエネルギーは、循環ポンプ４により「水頭」という形で冷却水に与えられ、冷却水が取水管５、復水器３及び排水管９を通過する際に「水頭損失」という形で消費される。
【００２４】
まず、復水器出口弁１０について絞り運用する通常運転の場合を考える。
【００２５】
循環ポンプ４の入口と排水管９の出口で、位置水頭、圧力損失、速度水頭の和は同じ（一定）である。このため、循環ポンプ４の入口と排水管９の出口における水頭の関係は、次式で表される。
【００２６】
ｐ１／γ＋ｖ１２／2ｇ＋ｚ１＋Ｈｐ
＝ｐ２／γ＋ｖ２２／2ｇ＋ｚ２＋ｈｆｓ      …(1)
但し、ｐ:  圧力 (kg/m2)、図示例の場合：ｐ１＝ｐ２＝大気圧、
γ:  流体の単位体積当りの重量 (kg/m３)、
海水の場合:γ＝1025 kg/m３
ｖ:  流速 (m/s)、
ｖ１＝0（循環ポンプ入口流速）、ｖ２＝排水管出口流速
ｇ:  重力加速度 (9.8 m/s２)、
ｚ:  基準面からの高さ (m)、
ｚ１＝循環ポンプ入口水面の高さ
ｚ２＝排水管出口水面の高さ
ｚ２−ｚ１＝取水路２と放水路８の間の損失水頭（実揚程）
Ｈｐ:  循環ポンプ揚程 (m)
ｈｆｓ: 復水器出口弁１０の絞り運転時の全水頭損失 (m)。
【００２７】
式(1)においてｐ１＝ｐ２、ｖ１＝0であるから、循環ポンプ揚程Ｈｐは、次式で表される。
【００２８】
Ｈｐ＝ｖ２２／2ｇ＋（ｚ２−ｚ１）＋ｈｆｓ      …(2)
ここで、復水器出口弁１０の絞り運転時の全水頭損失ｈｆｓは、下記の水頭損失の和と考えられる。
【００２９】
ｈ１:  取水管５の水頭損失 (m)
ｈ２:  循環ポンプ出口弁６の水頭損失 (m)
ｈ３:  復水器入口弁７の水頭損失 (m)
ｈ４:  復水器３の水頭損失 (m)
ｈ５:  復水器出口弁１０の水頭損失 (m)
ｈ６:  排水管９の水頭損失 (m)
ｈ７:  サイホン水頭損失 (m)
このうち、取水管５、復水器３、排水管９の水頭損失ｈ１、ｈ４、ｈ６は、不可避的なものである。また、循環ポンプ出口弁６（水頭損失ｈ２）と復水器入口弁７（水頭損失ｈ３）は、全開運用である。
【００３０】
従って、復水器出口弁１０（水頭損失ｈ５）を絞り運用から全開運用に変更することにより、水力エネルギーを取り出せる可能性がある。
【００３１】
本発明によれば、上記復水器冷却水系統１において、復水器出口弁１０を全開し、更に、図２に示すように下流側に水車１１を設置し、これにより水力エネルギーを取り出して発電機１２を駆動し、電気エネルギーに変換する。この場合、流量は水車設置前と変わらないようにすれば、式(1)は次のようになる。
【００３２】
ｐ１／γ＋ｖ１２／2ｇ＋ｚ１＋Ｈｐ
＝ｐ２／γ＋ｖ２２／2ｇ＋ｚ２＋Ｒ＋ｈｆｏ      …(3)
但し、Ｒ:  水車１１が消費する水頭損失 (m)
ｈｆｏ:復水器出口弁１０の全開運転時の全水頭損失 (m)
式(1)及び(3)より、水車１１の水頭損失Ｒは、次式で表される。
【００３３】
Ｒ＝ｈｆｓ−ｈｆｏ      …(4)
これにより、復水器出口弁１０の絞り運用時と全開運用時における水頭損失の差を水車の有効水頭として取り出せることがわかる。
【００３４】
次に、取り出せる水力エネルギーについて説明する。
【００３５】
前述のように、復水器出口弁１０の絞り運転時の全水頭損失ｈｆｓは、
ｈｆｓ＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４＋ｈ５＋ｈ６＋ｈ７
であるから、式(2)より、通常運転における循環ポンプ４の揚程Ｈｐは、
Ｈｐ＝ｖ２２／2ｇ＋（ｚ２−ｚ１）
＋（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４＋ｈ５＋ｈ６＋ｈ７）      …(5)
である。
【００３６】
これらの水頭損失のうち、ｖ２２／2ｇ、ｚ２−ｚ１、ｈ１〜ｈ４、ｈ６及びｈ７は復水器冷却水系統固有の損失であり、必然的に生じるものであるが、ｈ５は復水器出口弁１０の絞り運用により生じるものである。
【００３７】
従って、復水器出口弁１０を絞り運用している冷却水系統において、この絞り弁の開度を全開にすれば、絞り運用時の圧力損失ΔＰsと全開運転時の圧力損失ΔＰoとの差に相当する水力エネルギーを、水車１１が消費することができる。
【００３８】
すなわち、水車が消費する水力エネルギーＥは
Ｅ＝ΔＰs−ΔＰo      …(6)
であり、Ｅに相当する水頭損失が水車１１で利用できる有効落差Ｈとなる。
【００３９】
ここで、排水管９から水車１１に流入する冷却水の流量をＱとすると、水車１１を設置した場合の可能発電電力Ｗは、次式で表される。
【００４０】
Ｗ（kW）＝9.8×Ｑ×γ×Ｈ×ηｔ×ηｇ／1000      …(7)
但し、Ｑ:  流量 (m３/s)
γ:  流体の単位体積重量 (kg/m３)、海水の場合γ＝1025 kg/m３
Ｈ:  水車有効落差 (m)
ηｔ:  水車効率(%)、通常は約 80 ％
ηｇ:  発電機効率(%)、通常は約 90 ％。
【００４１】
次に、発電可能な電力について説明する。
【００４２】
ここで、水力エネルギーとして取り出し可能な落差Ｈ＝2 m と想定し、これに近い出口弁損失がある水系統を想定すれば、発電可能電力は以下のように推定される。
【００４３】
まず、水車効率ηｔを 80 % 程度、発電機効率ηｇを 90 % 程度とし、流量Ｑが
Ｑ＝12,400 m３/h ＝3.44 m３/s
であるとき、水車を設置した場合の可能発電電力Ｗは、式(7)より、
Ｗ＝9.8×3.44×1025×2×0.8×0.9／1000
＝49.8 (kW)
となる。すなわち、可能発電電力は凡そ 50 kW 相当である。
【００４４】
図２は、本発明の思想に基づいて復水器冷却水系統に設けた水力発電システムを示す。
【００４５】
この水力発電システムは、図１に示すように構成された復水器冷却水系統において、排水管９の復水器出口弁１０の下流側に設けられ、復水器出口弁１０の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する水車１１と、この水車１１の回転に応じて発電する発電機１２とを備えて構成されている。
【００４６】
上記復水器冷却水系統において、循環ポンプ出口弁６、復水器入口弁７及び復水器出口弁１０を全開した状態で、循環ポンプ４により取水路２から汲み上げられた冷却水は、取水管５により循環ポンプ出口弁６及び復水器入口弁７を経て復水器３に送られ、ここでタービン蒸気を冷却する。復水器３から排出された冷却水は、排水管９により復水器出口弁１０を経て水車１１に導かれる。水車１１は、復水器出口弁１０の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する。この回転により、発電機１２が発電し、その回転力に応じた電力を発生する。水車１１を回転させた冷却水は、排水管９により放水路８に導かれて放水口から放出される。
【００４７】
従って、この発電システムによれば、復水器出口弁１０を全開運用して、水力エネルギーを電気エネルギーに変換すると共に、復水器３には絞り運用時と同等の状態で冷却水を供給することができる。すなわち、必要な冷却水の供給を妨げることなく、従来未利用であった水力エネルギーの利用が可能となる。
【００４８】
次に、図３は、図２と異なる復水器冷却水系統３１に設けた水力発電システムを示す。
【００４９】
この復水器冷却水系統３１は、復水器３２の上方にあって、冷却水を取水する取水路３３と、この取水路３３から復水器３２に冷却水を導く取水管３４と、取水管３４に設けられた取水路出口弁３５及び復水器入口弁３６と、放水口を有する放水路３７と、復水器３２から冷却水を放水路３７に導く排水管３８と、排水管３８に設けられた復水器出口弁３９とを備えている。
【００５０】
この復水器冷却水系統３１における水力発電システムは、排水管３８の復水器出口弁３９の下流側に、絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーにより回転する水車４０を設け、この水車４０の回転により電気エネルギーを発生する発電機４１を備えている。なお、取水路出口弁３５、復水器入口弁３６、及び熱交換器出口弁３９は絞り弁である。
【００５１】
この復水器冷却水系統３１では、取水路出口弁３５、復水器入口弁３６及び熱交換器出口弁３９を全開運用としている状態で、取水路３３に取水された冷却水は、取水管３４を通して取水路出口弁３５及び復水器入口弁３６を経て復水器３２に導かれる。復水器３２で熱交換した冷却水は、排水管３８を通して、復水器出口弁３９を経て水車４０に導かれる。水車４０は、上記の水力エネルギーによって回転し、その回転により、発電機４１で電気エネルギーを発生する。水車４０からの冷却水は、放水路３７に排水されて放水口から放出される。
【００５２】
従って、この復水器冷却水系統３１においても、復水器出口弁３９を全開運用して、復水器３２に絞り運用時と同等の状態で冷却水を供給しながら、復水器出口弁３９の絞り運用時の圧力損失と全開運用時の圧力損失との差に相当する水力エネルギーを取り出し、電気エネルギーに変換して利用することができる。
【００５３】
以上、図示の実施例について説明したが、本発明はこれに限られることなく、種々の変形が可能である。例えば、図示の例では、熱交換器としてタービン蒸気を冷却する復水器を使用しているが、温水などの熱を吸収して暖めるものでもよい。また、絞り弁は、復水器出口弁に限らず、圧力損失が考えられる弁で、流量を制限する箇所に設けられるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の発電システムは、絞り弁による圧力損失を生じる熱交換水系統に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明を適用する復水器冷却水系統と水頭勾配線との対応関係を示す図である。
【図２】図１の復水器冷却水系統に設けた水力発電システムの構成を示す図である。
【図３】別の復水器冷却水系統に設けた水力発電システムを示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，３１…復水器冷却水系統、２，３３…取水路、３，３２…復水器、４…循環ポンプ、５，３４…取水管、８，３７…放水路、９，３８…排水管、１０，３９…復水器出口弁、１１，４０…水車、１２，４１…発電機。
【図１】
2007077865.tif 000003
【図２】
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【図３】
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