(57)【要約】【課題】発電システムの設備コストを低く抑えて熱源エネルギーの利用効率，発電出力の向上が図れるように改良したバイナリー発電システムを提供する。【解決手段】熱源流体１との熱交換により蒸発した低沸点作動媒体１０の蒸気を蒸気タービン４に導いてタービン発電機５を駆動するバイナリー発電システムで、熱源流体を加熱源とする作動媒体の予熱器３および蒸発器２、蒸気タービン４、凝縮器６、媒体送液ポンプ７の各機器を直列に組み合わせた閉ループで作動媒体の熱サイクルを構成したものにおいて、前記蒸発器を作動媒体の蒸発温度，圧力が異なる複数段の蒸発器２Ａ，２Ｂに分けた上で、各段の蒸発器にて個別に生成した作動媒体の蒸気を蒸気タービン（混圧タービン）の高圧段，低圧段に導入してタービン発電機５を駆動する。【選択図】図１
2009221961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源流体との熱交換により蒸発した低沸点作動媒体の蒸気を蒸気タービンに導いてタービン発電機を駆動するバイナリー発電システムであり、熱源流体を加熱源とする蒸発器，蒸気タービン，凝縮器，媒体送液ポンプの各機器を直列に組み合わせた閉ループで作動媒体の熱サイクルを構成したものにおいて、
前記蒸発器を、作動媒体の蒸発温度，圧力が異なる熱源流体が複数段の蒸発器に分けられ、各段に熱源流体が流通するものとし、各段の蒸発器にて個別に生成した作動媒体の蒸気で蒸気タービンを駆動するように構成したことを特徴とするバイナリー発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、蒸気タービンが混圧タービンであり、各段の蒸発器で個別に生成した高温，高圧側の蒸気，および低温，低圧側の蒸気をそれぞれ前記混圧タービンの高圧段，低圧段に導入して駆動するように構成したことを特徴とするバイナリー発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、蒸気タービンが高圧用タービンと低圧用タービンを組み合わせたタンデムコンパウンド形タービンであり、各段の蒸発器で個別に生成した高温，高圧側の蒸気，および低温，低圧側の蒸気をそれぞれ前記高圧用タービン，低圧用タービンに導入して駆動するように構成したことを特徴とするバイナリー発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかの項に記載のバイナリー発電システムにおいて、蒸発器を、共通な外郭の内部に隔壁で仕切られた複数段の蒸発室を画成したものとし、各段の蒸発室を直列に経由して熱源流体を流すチューブを配管したシェル・アンド・チューブ型蒸発器で構成したことを特徴とするバイナリー発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの項に記載のバイナリー発電システムにおいて、蒸気タービンの出口と凝縮器との間の配管路に、蒸気タービンから出た作動媒体と凝縮器から各段の蒸発器に向けて個別にポンプ送液する作動媒体との間で同時に熱交換を行う単機構造の熱回収器を備えたことを特徴とするバイナリー発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの項に記載のバイナリー発電システムにおいて、媒体送液ポンプと高温，高圧側の蒸発器との間に予熱器を挿入し、何れかの蒸発器の熱源流体出口からの熱源流体を予熱器に供給することを特徴とするバイナリー発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地熱流体（熱水または蒸気）や工場設備，燃料電池設備の温排水などを熱源として、ペンタン，イソペンタン，ヘキサン，アンモニアなどの低沸点作動媒体を蒸発させ、この作動媒体の蒸気で蒸気タービンを駆動して発電するバイナリー発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素やアンモニアなどの低沸点媒体の蒸気を利用して発電する頭記のバイナリー発電システムは、通常の蒸気タービンには不適な低温熱源から発電をすることができることから、地熱発電や産業排熱回収の分野で利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
次に、バイナリー発電システムの基本的な構成を図５に示す。図５において、１は熱源流体（例えば、地熱水）、２は熱源流体１を一次側の加熱源として低沸点の作動媒体（例えば、イソペンタン）を熱交換により加熱，蒸発させる蒸発器、３は予熱器、４は蒸気タービン、５はタービン発電機、６は凝縮器、７は凝縮器６で凝縮液化した作動媒体を昇圧して予熱器３，蒸発器２に送液する媒体送液ポンプ、８は熱回収器、９は前記の各機器を直列に接続して熱サイクル（ランキンサイクル）を構成する作動媒体系の閉ループ配管路である。
【０００４】
上記の発電システムでは、熱源流体１を蒸発器２と予熱器３に通流し、送液ポンプ７により蒸発器２に送り込んだ作動媒体１０を熱源流体１と熱交換して気化させた上、この作動媒体蒸気を蒸気タービン４に導いてタービンを駆動し、発電機５で発電する。また、蒸気タービン４から排出した作動媒体は熱回収器８を通過した後に凝縮器６にて冷却，液化され、さらに媒体送液ポンプ７により昇圧して熱回収器８，予熱器３を経て蒸発器２に戻される。
【０００５】
また、前記構成のバイナリー発電システムのほかに、作動媒体の種類や蒸発温度を変えた複数の単位バイナリー発電ユニットを組み合わせ、単位の発電ユニットの間でユニットに附属する蒸発器，予熱器をカスケード接続した上で、熱源流体を直列に流して熱源流体の持つエネルギーの利用効率を高めるようにした方式のハイブリッド・バイナリー発電システム（例えば、特許文献１参照。）、あるは作動媒体にアンモニア−水などの混合液を用いて発電効率を高めるようにしたカリーナサイクルと呼ばれるバイナリー発電システム（例えば、特許文献２参照。）も知られている。
【非特許文献１】“地熱バイナリー発電方式について”、［online］、九州電力、[平成20年3月1日検索]、インターネット<URLhttp://www1.kyuden.co.jp/library/pdf/press/2005/h050225-3.pdf>
【特許文献１】特開平１−２８５６０７６号公報（第１図）
【特許文献２】特開平１１−３５０９２０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先記したバイナリー発電システムでは、熱源流体の保有するエネルギーの利用効率を高めて発電出力の向上を図ることが重要なテーマとなっている。
【０００７】
かかる点、先記した特許文献１のように複数のバイナリー発電ユニットを組み合わせ、各ユニットの蒸発器，予熱器をカスケード接続して熱源流体を直列に流すようにしたハイブリッド・バイナリー発電システムでは、各単位の発電ユニットごとにタービン，発電機，凝縮器を備えるために、発電システム全体では構成機器の数が増えて初期の設備コストが増加するという問題がある。また、特許文献２のようにカリーナサイクルのバイナリー発電システムにおいても、熱源流体との熱交換で作動媒体の蒸気を生成するために蒸発器の後段にセパレータ（気水分離器）を必要とするなど、システムの熱サイクルが複雑化して設備コストが増加する問題がある。
【０００８】
特に、産業排熱などのように元来利用されずに廃棄されていたエネルギーを回収して発電を行う発電システムでは投資する設備コストの低減化が重要課題であり、この観点からもできるだけ低い設備コストで高い熱効率，発電出力が発揮できる発電システムを構築することが望まれる。
【０００９】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は初期投資の設備コストを低く抑えて熱源エネルギーの利用効率，発電出力の向上が図れるように改良したバイナリー発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明によれば、熱源流体との熱交換により蒸発した低沸点作動媒体の蒸気を蒸気タービンに導いてタービン発電機を駆動するバイナリー発電システムであり、熱源流体を加熱源とする作動媒体の蒸発器，蒸気タービン，凝縮器，媒体送液ポンプの各機器を直列に組み合わせた閉ループで作動媒体の熱サイクルを構成したものにおいて、
前記蒸発器を、作動媒体の蒸発温度，圧力が異なる熱源流体が複数段の蒸発器に分けられ、各段に熱源流体が流通するものとし、各段の蒸発器にて個別に生成した作動媒体の蒸気で蒸気タービンを駆動するように構成し（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成するものとする。
（１）前記蒸気タービンが混圧タービンであり、複数の蒸発器で個別に生成した高温，高圧側の蒸気，および低温，低圧側の蒸気をそれぞれ前記混圧タービンの高圧段，低圧段に導入して駆動する（請求項２）。
（２）前記蒸気タービンが高圧用タービンと低圧用タービンを組み合わせたタンデムコンパウンド形タービンであり、複数の蒸発器で個別に生成した高温，高圧側の蒸気，および低温，低圧側の蒸気をそれぞれ前記高圧用タービン，低圧用タービンに導入して駆動する（請求項３）。
（３）前記複数の蒸発器のうち少なくとも２つ以上の蒸発器を、共通な外郭の内部に隔壁で仕切られた複数の蒸発室を画成し、かつ各蒸発室に跨がって熱源流体が通流するチューブを配管したシェル・アンド・チューブ型蒸発器で構成する（請求項４）。
（４）前記のバイナリー発電システムにおいて、蒸気タービンの出口と凝縮器との間の配管路に、蒸気タービンから出た作動媒体と凝縮器から各段の蒸発器に向けて個別にポンプ送液する作動媒体との間で同時に熱交換を行う単機構造の熱回収器を備える（請求項５）。
（５）前記のバイナリー発電システムにおいて、媒体送液ポンプと高温，高圧側の蒸発器との間に予熱器を挿入し、何れかの蒸発器の熱源流体出口からの熱源流体を予熱器に供給する（請求項６）。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成のように、熱源流体との熱交換により作動媒体の蒸気を生成する蒸発器を複数段に分け、各段の蒸発器にて個別に生成した作動媒体蒸気を混圧タービン，またはタンデム・コンパウンド・タービンに導入して発電機を駆動するようにしたことにより、単一段のみの蒸発器から生成した作動媒体の蒸気で蒸気タービンを駆動するようにした非特許文献１のバイナリー発電システムと比べて熱源流体の保有する熱エネルギーの利用率を高めて発電出力が向上する。
【００１２】
また、複数単位の発電ユニットを組み合わせ、各ユニットに附属の蒸発器，予熱器をカスケード接続して熱源流体を直列に流すようにした特許文献１のハイブリッド・バイナリー発電システムと比べて、発電システムを構成する蒸気タービン，発電機，凝縮器などの機器数が少なく、さらに特許文献２のカリーナサイクルのバイナリー発電システムと比べても投資する設備コストを低減できる。したがって、産業排熱利用の発電システムのように設備コストをできるだけ抑えることが要求されるバイナリー発電システムへの適用に有利である。
【００１３】
また、蒸気タービンの出口と凝縮器との間に介装した熱回収器についても、蒸気タービンから出た作動媒体と凝縮器から各段の蒸発器に向け個別にポンプ送液する作動媒体との間で同時に熱交換を行う単機構造の熱回収器で構成したことにより、安価な設備コストでタービンから出た作動媒体の熱回収を効果的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態を図示実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１５】
まず、この発明の請求項１，２，５に対応する実施例として、蒸発器を高温段，低温段の２段に分け、各段の蒸発器で生成した作動媒体の蒸気を混圧タービンに導いて駆動するようにしたバイナリー発電システムのフローシートを図１に示す。なお、この実施例では、熱源流体が地熱水や産業排熱，燃料電池，ガスエンジンなどの排熱によって熱せられた熱水（流体温度200℃未満の温水）であり、作動媒体には低沸点物質としてイソペンタン（沸点２８℃）を使用している。
【００１６】
この実施例の熱サイクルは基本的に図５と同様であるが、熱源流体１との熱交換により作動媒体１０の蒸気を生成する蒸発器２は、シェル・アンド・チューブ型になる高温段の蒸発器２Ａと低温段の蒸発器２Ｂとに分けて作動媒体の熱サイクル回路に並列接続されている。ここで、各段の蒸発器２Ａ，２Ｂは、イソペンタンを作動媒体として当該発電システムで目標の熱効率，発電出力が発揮できるように蒸発温度，圧力を決定しており、この実施例では各段蒸発器の仕様として、蒸発器２Ａは作動媒体の蒸発温度を110℃，圧力を900kPa、蒸発器２Ｂは84℃，500kPaに定めている。
【００１７】
そして、熱源流体１は、まず前段の蒸発器２Ａのチューブ（一次側）を貫流し、シェル内部に送り込んだ作動媒体１０と熱交換して高温の作動媒体蒸気を発生させる。蒸発器２Ａを通過した熱源流体１は、さらに後段の蒸発器２Ｂを貫流して低温の作動媒体蒸気を発生させた後に系外に排出される。また、熱源流体１の一部は蒸発器２Ａの出口から分岐して予熱器３を流れ、凝縮器６からポンプ送液されて来た作動流体を加熱した後に系外に排出される。なお、地熱発電システムでは予熱器３を通過した熱源流体が還元井から地下の貯留層に戻され、コージェネレーションでは例えば給湯熱源として回収利用される。
【００１８】
そして、前記の蒸発器２Ａで発生した高温，高圧の作動媒体蒸気、および蒸発器２Ｂで発生した低温，低圧の作動媒体蒸気は、それぞれ別な蒸気ラインを通じて混圧タービンの高圧段，低圧段に導入されて蒸気タービン４を回し、発電機５より電力を発生する。なお、混圧タービン４は、例えば単段の衝動タービンに高圧段用と低圧段用のノズルと動翼を備えることで実現される。
【００１９】
一方、蒸気タービン４から出た作動媒体は熱回収器８を通過し、さらに凝縮器６で凝縮，液化された後に、媒体送液ポンプ７Ａ，７Ｂによりそれぞれ異なる圧力に昇圧し、それぞれの送液ラインを通じて先記の蒸発器２Ａ，２Ｂに供給される。
【００２０】
ここで、凝縮器６は空冷，または水冷（海水，地下水）式の熱交換器により作動媒体を液化するもので、図示例では凝縮器６を１台のフィンチューブ型空冷式熱交換器で構成して設備コストを低く抑えようにしている。
【００２１】
また、熱回収器８は蒸気タービン４から排出される作動媒体の保有熱エネルギーを回収し、凝縮器６から蒸発器２Ａ，２Ｂに送る作動媒体の加熱に利用するものであり、媒体送液ポンプ７Ａ，７Ｂを経て個別に送液される作動媒体と蒸気タービン４から出た作動媒体との間で同時に熱交換が行えるようにプレート型の熱交換セル８ａ，８ｂ，８ｃを交互に積層して熱交換を行う単機構造の熱交換器で構成されている。なお、図５に示した従来の熱回収器（２流体の熱交換器）を２基に分けて熱回収を実現することも可能であるが、図１に示した単機構造の熱交換器（３流体のプレート型熱交換器）を用いる方がコスト的に有利である。
【００２２】
さらに、凝縮器６で液化した作動媒体を異なる圧力に昇圧して蒸発器２Ａ，２Ｂに供給する送液ポンプ７Ａ，７Ｂについても、図示例では２台のポンプ７Ａ，７Ｂを１台の駆動モータ７ａで駆動するようにして設備コストの低減を図っている。なお、図示には表してないが、送液ポンプ７Ａの入口に通じる配管路の分岐部分，およびポンプの出口側には流量制御弁を設けるなどして予熱器３へ送液する作動媒体の流量，圧力を調整するようにしている。
【００２３】
次に、本実施例の熱サイクルにおける作動媒体の状態変化を、図２，図３のＴ−Ｓ線図，Ｈ−Ｓ線図に示す。なお、図２のＴ−Ｓ線図で実線（太線）は高温，高圧側の作動媒体，破線は低温，低圧側の作動媒体を表し、図中の線図に沿って要所に付した符号ａ〜ｄ，およびｂ’，ｃ’はそれぞれ図１の図中に付したａ〜ｄ，およびｂ’，ｃ’の各地点に対応する作動媒体の状態を表している。また、図３のＨ−Ｓ線図は蒸発器で生成した作動媒体の蒸気が蒸気タービンで熱膨張する際のエンタルピー／エントロピーを拡大して表し、図中の実線（太線）は蒸気タービン（混圧タービン）の高圧段に導入した高温，高圧の作動媒体蒸気を、破線はタービンの低圧段に導入する低温，低圧の作動媒体蒸気である。
【００２４】
図２，図３の線図から判るように、凝縮器６（図１参照）から出た液相の作動媒体（温度：40℃，圧力：150kPa）は送液ポンプ７Ａ，７Ｂにより昇圧されて蒸発器２Ａ，２Ｂに送り込まれ、ここで液相の作動媒体が熱源流体１との熱交換により加熱されて、ｂ，ｂ’において飽和蒸気となる（高温，高圧側蒸気：110℃，900kPa、低温，低圧側蒸気：84℃，500kPa）。さらに、ｃ，ｃ’まで過熱され、この過熱蒸気は、次に混圧タービンに導入して機械的な仕事を取り出し、ここで膨張し終わった作動媒体蒸気は再び凝縮器６に戻って液化されるように熱サイクルの閉ループを循環する。
【００２５】
上記の熱サイクルにより、蒸発器２Ａを経てタービン４の高圧段に導入された高温，高圧側の作動媒体は機械的仕事の取り出しにより膨張して900kPaから150kPaに状態変化し、この熱落差で作動媒体の単位循環量当たり48kJ/kgのタービン出力が得られる。一方、蒸発器２Ｂを経てタービンの低圧段に導入される低温，低圧側の作動媒体では単位循環量当たり25kJ/kgのタービン出力が得られる。ここで、作動媒体の循環量を高温，高圧側が120kg/s、低温，低圧側が30kg/sとすれば、それぞれの作動媒体によるタービン出力は高圧側が5760kW，低圧側が750kWとなる。
【００２６】
したがって、単一段の蒸発器２で生成した作動媒体の蒸気を蒸気タービン４に導入して駆動するようにした図５の従来方式による発電システムと比べて、タービン出力が13％向上することが判る。しかも、発電システムを構成する機器についても、図５に示した従来の発電システムと比べて、高温段の蒸発器２Ａに低温段の蒸発器２Ｂを追加し、これに合わせて媒体送液ポンプの１台追加、および熱回収器８の構造を変えるだけの僅かな設備変更だけで、初期投資の設備コストを低く抑えつつ熱源流体の熱利用効率を改善して高い発電出力を得ることができる。
【実施例２】
【００２７】
次に、この発明の請求項３，５に対応する実施例として、２段一体型の蒸発器、および蒸気タービンにタンデム・コンパウンド・タービンを採用したバイナリー発電システムのフローシートを図４に示す。
【００２８】
この実施例においては、蒸発器２が、共通な外郭（シェル）２ａの内部に隔壁２ｃで仕切られた高温段の蒸発器２Ａ，低温段の蒸発器２Ｂに対応する蒸発室を画成し、各蒸発室を直列に貫通して熱源流体１が通流するチューブ２ｂを配管したシェル・アンド・チューブ型蒸発器で構成し、さらに蒸発器２Ｂの後段に予熱器３を直列に接続して熱源流体１の流路を形成している。
【００２９】
また、蒸気タービンは、高圧用タービン４Ａと低圧用タービン４Ｂ（単段タービン）を発電機５の共通軸に連結したタンデム・コンパウンド・タービン（単軸串型タービン）を採用している。
【００３０】
さらに、媒体送液ポンプは２台のポンプ７Ａと７Ｂを別々にモータ７ａで駆動するようにし、各ポンプを通じて前記蒸発器２Ａ，２Ｂに送液する作動媒体の流量，圧力を個別に調整できるようにしている。
【００３１】
これにより、先記実施例１のバイナリー発電システムと同様に、従来の発電システムに僅かな設備変更を加えるだけで熱効率，発電出力の向上化が図れる。特に蒸気タービンには、蒸発器２Ａ，２Ｂで生成した高温，高圧の作動媒体蒸気，および低温，低圧の作動媒体蒸気と個別に対応して高圧用，低圧用の単段タービン４Ａ，４Ｂを組み合わせたタンデム・コンパウンド・タービンを用いることで、高い発電出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施例１に係わるバイナリー発電システムのフローシートを表す図
【図２】図１の発電システムにおける熱サイクルのＴ−Ｓ線図
【図３】図１の発電システムにおける熱サイクルのＨ−Ｓ線図
【図４】この発明の実施例２に係わるバイナリー発電システムのフローシートを表す図
【図５】従来におけるバイナリー発電システムのフローシートを表す図
【符号の説明】
【００３３】
１    熱源流体
２    蒸発器
２Ａ  高温段の蒸発器
２Ｂ  低温段の蒸発器
３    予熱器
４    蒸気タービン
４Ａ  高圧用タービン
４Ｂ  低圧用タービン
５    タービン発電機
６    凝縮器
７Ａ，７Ｂ  媒体送液ポンプ
８    熱回収器
【図１】
2009221961.tif 000003
【図２】
2009221961.tif 000004
【図３】
2009221961.tif 000005
【図４】
2009221961.tif 000006
【図５】
2009221961.tif 000007