JP5658473B2 - 発電装置及び発電装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置及び発電装置の運転方法に関するものである。

従来、例えば、下記特許文献１〜５に開示されているように、タービン等の膨張機で発電機を駆動する発電装置が知られている。この種の発電装置では、膨張機で膨張した作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した作動媒体液を蒸発させる蒸発器と、前記膨張機とを備えて、作動媒体が循環するランキンサイクル回路が形成されている。

このうち、特許文献１の発電装置では、凝縮器に冷却塔が接続されて、この冷却塔からの冷却水で作動媒体液を冷却する構成となっている。また特許文献３、４及び５の発電装置では、凝縮器として復水器が用いられている。

特開２００８−３０９０４６号公報 特開２００５−３５１０９４号公報 特開昭５９−１８０２８０号公報 特開昭５７−１４６０６７号公報 特開昭６０−３４８８号公報

この種の発電装置においては、凝縮器に導入された作動媒体蒸気が凝縮する際に作動媒体蒸気の潜熱が捨てられており、エネルギー損失となっている。また、作動媒体蒸気は作動媒体液に比べて比容積が格段に大きくて熱伝達係数が小さいことから、従来のように間接熱交換器が用いられる構成では、必要伝熱面積を確保するには、凝縮器が大型のものとなってしまうという問題もある。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、凝縮器の小型化を図りつつ凝縮器でのエネルギー損失を低減することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、作動媒体液を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で発生した作動媒体蒸気が膨張機に導入され、発電機を駆動して発電を行う発電手段と、前記膨張機から排出された作動媒体蒸気を冷却媒体の熱によって凝縮させる凝縮器とを備え、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液を前記蒸発手段に還流するように構成された発電装置において、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液の一部について、その熱を利用する熱利用手段と、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液を、前記蒸発手段に導くための第１経路と、前記熱利用手段に導くための第２経路とに分配する分配手段と、を備え、前記分配手段は、作動媒体を貯溜しておく貯溜部を兼ねており、前記凝縮器は、前記分配手段とは別体であり、前記作動媒体蒸気と冷却媒体とを直接接触させて前記作動媒体蒸気を凝縮させる直接加熱方式の熱交換器であり、前記冷却媒体として、前記熱利用手段で抜熱されて温度が低下した作動媒体液を使用することを特徴とする発電装置である。

本発明の発電装置では、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器として、直接加熱方式の凝縮器が用いられているため、熱交換効率が高い。このため、凝縮器を小型化することができる。しかも、凝縮器で凝縮した作動媒体液の一部が、熱利用手段に供給されるので、凝縮器において作動媒体蒸気の凝縮に伴う潜熱を有効に利用することができる。このため、凝縮器でのエネルギー損失を低減することができる。

また、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液を、前記蒸発手段に導くための第１経路と、前記熱利用手段に導くための第２経路とに分配する分配手段が設けられているので、凝縮器で凝縮した作動媒体液が分配手段によって分配され、蒸発手段及び熱利用手段にそれぞれ導入される。したがって、高い熱交換効率を確保しつつ、作動媒体液の分配を行うことができる。

この態様において、前記第１経路には、回転数を制御することで当該第１経路における作動媒体液の流量を変更するポンプが設けられているのが好ましい。この態様では、ポンプの回転数を制御することにより、第１経路を流れる作動媒体液の流量を調整することができるので、蒸発手段、膨張機及び凝縮器の間を循環する循環量を適切な量に調整することができる。

また、前記第２経路には、回転数を制御することで当該第２経路における作動媒体液の流量を変更するポンプが設けられているのが好ましい。この態様では、ポンプの回転数を制御することにより、第２経路を流れる作動媒体液の流量を調整することができるので、凝縮器及び熱利用手段の間を循環する循環量を調整でき、これにより、凝縮器での熱交換量の最適化を図ることができる。

本発明は、蒸発手段で作動媒体液を蒸発させ、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導入して発電機を駆動して発電を行い、膨張機から排出された作動媒体蒸気を凝縮器内において、熱利用手段で抜熱されて温度が低下した作動媒体液と直接接触させて凝縮させ、当該凝縮器で凝縮した作動媒体液の一部を、作動媒体を貯留しておく貯留部を兼ねる分配手段によって分配して前記蒸発手段に還流する一方、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液の他部について、前記分配手段から分配してその熱を熱利用手段で利用し、前記凝縮器は、前記分配手段とは別体であり、直接加熱方式の熱交換器である発電装置の運転方法である。

以上説明したように、本発明によれば、凝縮器の小型化を図りつつ凝縮器でのエネルギー損失を低減することができる。

本発明の実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る発電装置１０は、作動媒体（作動媒体蒸気、作動媒体液）が循環する循環回路１２が形成されるとともに、この循環回路１２を流れる作動媒体で膨張機１６を駆動することによって発電機２４で発電を行う発電装置１０である。作動媒体蒸気としては、例えば水蒸気を用いることができる。

前記循環回路１２は、蒸発手段１４と、膨張機１６と、凝縮器１８と、分配手段２０と、利用側熱交換器２２と、備えている。これら蒸発手段１４、膨張機１６、凝縮器１８、分配手段２０及び利用側熱交換器２２は、配管によって接続されている。

蒸発手段１４は、熱源２３から受けた熱によって作動媒体蒸気を蒸発させるように構成されている。例えば、蒸発手段１４としては、太陽熱を熱源２３とする集光器、バイオマスや化石燃料を熱源２３とするボイラー、その他の蒸発器等によって構成することができる。

膨張機１６は、蒸発手段１４で蒸発して高温となった作動媒体蒸気が導入され、この導入された作動媒体蒸気によって回転軸１６ａを回転させる。膨張機１６の回転軸１６ａは発電機２４に接続されており、膨張機１６の回転軸１６ａが回転することによって発電機２４を駆動して発電を行うことができる。膨張機１６及び発電機２４により発電手段２５が構成されている。

凝縮器１８は、膨張機１６から排出された作動媒体蒸気を導入するための蒸気導入ポート１８ａと、利用側熱交換器２２からの作動媒体液を導入するための液導入ポート１８ｂと、作動媒体液を排出するための排出ポート１８ｃとが設けられた筐体を備えている。凝縮器１８は、この筐体内において、蒸気導入ポート１８ａを通して導入された作動媒体蒸気と液導入ポート１８ｂを通して導入された作動媒体液とが直接接触することによって両者が熱交換を行う直接加熱方式に構成されている。

凝縮器１８で凝縮した作動媒体液は分配手段２０に導入される。分配手段２０は、作動媒体を貯溜しておく貯溜部を兼ねており、分配手段２０の筐体には、作動媒体液が導入される導入ポート２０ａと、筐体内に導入された作動媒体液の一部を流出させる第１分配ポート２０ｂと、筐体内に導入された作動媒体液の他部を流出させる第２分配ポート２０ｃとが設けられている。第１分配ポート２０ｂは第１経路２７に繋がっており、第１分配ポート２０ｂから流出した作動媒体液は第１経路２７を通して蒸発手段１４に導かれる。一方、第２分配ポート２０ｃは第２経路２８に繋がっており、第２分配ポート２０ｃから流出した作動媒体液は第２経路２８を通して利用側熱交換器２２に導かれる。したがって、循環回路１２には、蒸発手段１４、膨張機１６、凝縮器１８及び分配手段２０の間で作動媒体が循環する熱源側循環部１２ａと、凝縮器１８、分配手段２０及び利用側熱交換器２２の間で作動媒体液が循環する利用側循環部１２ｂとが含まれている。

利用側熱交換器２２は、作動媒体液の熱を利用するための熱利用手段の一例であり、本実施形態では、作動媒体液の熱を熱利用設備３５で利用できるように構成されている。熱利用設備３５としては、バイナリー発電機やプロセス設備等が挙げられる。熱利用手段としては、この構成に限られるものではないが、要は、作動媒体液が流れる流路が形成されていて、その流路を流れる作動媒体液の熱を取り出すことができるような構成であればよい。

循環回路１２には、第１ポンプ３８と第２ポンプ３９とが設けられている。第１ポンプ３８は第１経路２７に配設されるものであり、回転数を制御することにより、第１経路２７の流量を調整することができるようになっている。第２ポンプ３９は第２経路２８に配設されるものであり、回転数を制御することにより、第２経路２８の流量を調整することができるようになっている。

ここで、本実施形態に係る発電装置１０の運転動作について説明する。

第１ポンプ３８及び第２ポンプ３９を駆動することにより、作動媒体（作動媒体蒸気、作動媒体液）が循環回路１２を流れる。蒸発手段１４では、熱源２３から受けた熱によって作動媒体液を蒸発させる。蒸発手段１４で発生した作動媒体蒸気は膨張機１６に導入され、その蒸気流量に応じて発電機２４が駆動され、これにより発電が行われる。

膨張機１６から排出された作動媒体蒸気は、蒸気導入ポート１８ａを通して凝縮器１８に導入される。凝縮器１８には、利用側熱交換器２２で抜熱されて温度が低下した作動媒体液が液導入ポート１８ｂを通して導入されている。このため、凝縮器１８内では、作動媒体蒸気が作動媒体液と直接接触し、熱交換が行われる。これにより作動媒体蒸気は凝縮し、凝縮器１８で凝縮した作動媒体液は排出ポート１８ｃから排出されて分配手段２０に導入される。分配手段２０に流入した作動媒体液の一部は、第１分配ポート２０ｂから流出して第１経路２７を通して蒸発手段１４に還流する。また、分配手段２０に流入した作動媒体液の他部は、第２分配ポート２０ｃから流出して第２経路２８を通して利用側熱交換器２２に流入する。したがって、作動媒体の一部は凝縮器１８、蒸発手段１４及び膨張機１６の間を循環し、他部は凝縮器１８及び利用側熱交換器２２の間を循環する。

第１ポンプ３８の回転数を制御することにより、凝縮器１８、分配手段２０、蒸発手段１４及び膨張機１６の間を循環する流量が調整される。第１ポンプ３８の回転数は、発電機２４の出力、発電量、蒸気温度、蒸気量、蒸気圧力等を検出し、その検出結果に応じて制御することが可能である。

一方、第２ポンプ３９の回転数を制御することにより、凝縮器１８、分配手段２０及び利用側熱交換器２２の間を循環する流量が調整される。第２ポンプ３９の回転数は、バイナリー発電機２４の発電量、２次媒体の温度、２次媒体の圧力、凝縮器１８又は利用側熱交換器２２内における作動媒体液の液面高さ等を検出し、その検出結果に応じて制御することが可能である。そして、第１ポンプ３８の回転数と第２ポンプ３９の回転数とを統合制御することにより、最適な運転条件で発電装置１０を運転することができる。

以上説明したように、本実施形態の発電装置１０では、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器１８として、直接加熱方式の凝縮器１８が用いられているため、熱交換効率が高い。このため、凝縮器１８を小型化することができる。しかも、凝縮器１８で凝縮した作動媒体液の一部が、利用側熱交換器２２に供給されるので、凝縮器１８において作動媒体蒸気の凝縮に伴う潜熱を有効に利用することができる。このため、凝縮器１８でのエネルギー損失を低減することができる。

さらに本実施形態では、凝縮器１８で凝縮した作動媒体液を第１経路２７と第２経路２８に分配する分配手段２０が設けられているので、凝縮器１８で凝縮した作動媒体液が分配手段２０によって分配され、蒸発手段１４及び利用側熱交換器２２にそれぞれ導入される。したがって、高い熱交換効率を確保しつつ、作動媒体液の分配を行うことができる。

また本実施形態では、第１経路２７に第１ポンプ３８が設けられており、このポンプ３８の回転数を制御することにより、第１経路２７を流れる作動媒体液の流量を調整することができるので、蒸発手段１４、膨張機１６及び凝縮器１８の間を循環する循環量を適切な量に調整することができる。

また本実施形態では、第２経路２８に第２ポンプ３９が設けられており、このポンプ３９の回転数を制御することにより、第２経路２８を流れる作動媒体液の流量を調整することができるので、凝縮器１８及び利用側熱交換器２２の間を循環する循環量を調整でき、これにより、凝縮器１８での熱交換量の最適化を図ることができる。

１０ 発電装置
１２ 循環回路
１２ａ 熱源側循環部
１２ｂ 利用側循環部
１４ 蒸発手段
１６ 膨張機
１６ａ 回転軸
１８ 凝縮器
１８ａ 蒸気導入ポート
１８ｂ 液導入ポート
１８ｃ 排出ポート
２０ 分配手段
２０ａ 導入ポート
２０ｂ 第１分配ポート
２０ｃ 第２分配ポート
２２ 利用側熱交換器
２３ 熱源
２４ 発電機
２５ 発電手段
２７ 第１経路
２８ 第２経路
３５ 熱利用設備
３８ 第１ポンプ
３９ 第２ポンプ

Claims (4)

1. 作動媒体液を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で発生した作動媒体蒸気が膨張機に導入され、発電機を駆動して発電を行う発電手段と、前記膨張機から排出された作動媒体蒸気を冷却媒体の熱によって凝縮させる凝縮器とを備え、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液を前記蒸発手段に還流するように構成された発電装置において、
   前記凝縮器で凝縮した作動媒体液の一部について、その熱を利用する熱利用手段と、
   前記凝縮器で凝縮した作動媒体液を、前記蒸発手段に導くための第１経路と、前記熱利用手段に導くための第２経路とに分配する分配手段と、を備え、
   前記分配手段は、作動媒体を貯溜しておく貯溜部を兼ねており、
   前記凝縮器は、前記分配手段とは別体であり、前記作動媒体蒸気と前記冷却媒体とを直接接触させて前記作動媒体蒸気を凝縮させる直接加熱方式の熱交換器であり、前記冷却媒体として、前記熱利用手段で抜熱されて温度が低下した作動媒体液を使用することを特徴とする発電装置。
2. 前記第１経路には、回転数を制御することで当該第１経路における作動媒体液の流量を変更するポンプが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記第２経路には、回転数を制御することで当該第２経路における作動媒体液の流量を変更するポンプが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 蒸発手段で作動媒体液を蒸発させ、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導入して発電機を駆動して発電を行い、膨張機から排出された作動媒体蒸気を凝縮器内において、熱利用手段で抜熱されて温度が低下した作動媒体液と直接接触させて凝縮させ、当該凝縮器で凝縮した作動媒体液の一部を、該作動媒体液を貯留しておく貯留部を兼ねる分配手段によって分配して前記蒸発手段に還流する一方、前記凝縮器で凝縮した作動媒体液の他部について、前記分配手段から分配してその熱を熱利用手段で利用し、前記凝縮器は、前記分配手段とは別体であり、直接加熱方式の熱交換器である発電装置の運転方法。

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