JP6254968B2 - 動力発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、水蒸気を利用した動力発生装置に関するものである。
一般に、ディーゼル機関による発電プラント設備において、ディーゼル機関とは別に、ディーゼル機関からの排熱によって生成した蒸気を用いて発電する蒸気タービンを備えた発電設備が知られている。
従来より、このような排熱によって生成した蒸気を用いて発電する蒸気タービンを備えた発電設備としては、生成した蒸気から動力を回収する蒸気タービン、その動力で発電を行う発電機、蒸気タービン通過後の蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮後のドレインを貯める復水タンク、復水タンク内の水を送液するポンプで構成されている。
一方、大規模な発電設備においては、水素と酸素とを燃焼させて得られる水蒸気を作動流体とするタービンプラントにおいて、凝縮器に水を直接導入することで、タービン通過後の経路の排気圧を上昇させ、圧縮比の低減を図るとともに温排水を得ることができるように構成された発電プラントが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１５８４１１号公報
しかし、上記従来の発電プラントのように水素と酸素とを燃焼させて得られる水蒸気を作動流体とする大規模発電では、１３００℃以上の蒸気温度となるため、凝縮器に水を直接導入するのは、圧縮比の低減を図ることが主目的となる。したがって、得られる温排水は、１００℃以上に沸騰した大量の高温水となり、所定温度の温排水を管理制御して調整するといったことはできなかった。
一方、ディーゼル機関からの排熱を利用した小規模の発電設備の場合は、排熱の温度が、上記した大規模発電のように高くないので、圧縮比を考慮する必要は無いが、大規模な発電プラントと比較して発電出力単価が高くなるので、発電設備自体を簡素な構成にして低コスト化を図る必要があった。
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、排熱を利用した小規模の発電設備において、凝縮器を無くして復水タンクに水を直接導入する構成とすることで装置の簡素化を図るとともに、この際に導入する水量を管理制御することで無駄なく需要に合わせた電気もしくは凝縮水を供給することができる動力発生装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するための本発明に係る動力発生装置は、蒸気発生器で発生した水蒸気が膨張機に供給されて膨張機が駆動される動力発生装置であって、膨張機の下流側の経路には、膨張機を通過した後の水蒸気を冷却水と直接混合することで、水蒸気を凝縮する凝縮装置が設けられ、この凝縮装置は、その上部に、大気開放弁を有する大気開放経路が接続され、容器本体内に冷却水を充填するとともに、大気開放弁を開けて容器本体内の液面を上昇させて容器本体内に溜まっていたガスを大気開放経路から容器本体の外へと排出した後、大気開放弁を閉じ、容器本体内が所定の液面高さになるまで容器本体内の冷却水を排出し、かつ、冷却水の供給量の調整によって所定温度の凝縮水が得られるように制御する制御部を有するものである。
上記動力発生装置において、凝縮装置には、液面高さの検知手段が設けられ、この液面高さによって凝縮装置から送液されるポンプの回転数を制御する制御部が設けられたものであってもよい。
上記動力発生装置において、凝縮装置には、膨張機の下流側の経路から水蒸気の導入管が導入され、この導入管は、凝縮装置内の所定水位下の液相中でバブリングするように、当該所定水位下の部分に複数の孔が穿孔されてなるものであってもよい。
本発明によると、膨張機の下流側の経路には、膨張機を通過した後の水蒸気を冷却水と直接混合することで、水蒸気を凝縮する凝縮装置を設け、この凝縮装置は、冷却水の流量調整によって所定温度の凝縮水が得られるように制御する制御部を有しているので、凝縮圧力を制御して発電出力を変更することが可能となる。また、要望にあった温度の凝縮水を供給することができる。したがって、凝縮器を無くした簡素な構成で、需要に応じた電気もしくは凝縮水の供給が可能となる。さらに、容器本体内に冷却水を充填するとともに、大気開放弁を開けて容器本体内の液面を上昇させて容器本体内に溜まっていたガスを大気開放経路から容器本体の外へと排出した後、大気開放弁を閉じ、容器本体内が所定の液面高さになるまで容器本体内の冷却水を排出することで、起動時に、真空ポンプを使用せずに、不凝縮ガスを容器本体から外部に排出することができる。また、不凝縮ガスを容器本体から外部に排出するので、運転時の凝縮圧力の制御を良好に行うことができ、発電出力の制御を快適に行うことができる。
本発明に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。 本発明の動力発生装置における誘導管の先端部の他の実施の形態を示す概略図である。 本発明の他の実施の形態に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る動力発生装置１の全体構成の概略を示している。
この動力発生装置１は、蒸気発生器２で発生した水蒸気がスクロール膨張機３に供給されてスクロール膨張機３が駆動されることで、当該スクロール膨張機３に接続された発電機４による発電が行われる動力発生装置１であって、スクロール膨張機３の下流側の排出経路１２には、凝縮装置５が設けられ、この凝縮装置５は、スクロール膨張機３を通過した後の水蒸気を冷却水供給経路１３からの冷却水と直接混合することで、水蒸気を凝縮し、この凝縮装置５には、冷却水の供給量を調整することによって所定温度の凝縮水が得られるように、冷却水用ポンプＰ１の回転数を制御する制御部１０が設けられている。
蒸気発生器２は、水蒸気の供給経路１１を通じて、当該蒸気発生器２で発生した水蒸気をスクロール膨張機３に供給するようになされている。この蒸気発生器２としては、特に限定されるものではなく、例えば、エンジン排熱を利用して水を水蒸気に変換するようになされたものであってもよいし、地熱を利用して水蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、工場排熱を利用して水蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、焼却炉の排気熱を利用して水蒸気を発生させるようになされたものであってもよい。
スクロール膨張機３は、供給経路１１を通じて供給される水蒸気によって、スクロール膨張機３に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、発電機４と直結できるようになされている。
発電機４は、スクロール膨張機３との直結により電力を発生させること可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、誘導発電機、同期発電機などの各種の発電機を使用することができる。また、スクロール膨張機３による駆動対象としては、発電機４に限定されず、例えば、動力出力軸であれば良い。
凝縮装置５は、スクロール膨張機３を通過した後の排出経路１２の水蒸気と、冷却水供給経路１３から供給される冷却水とを混合して凝縮水を調整するための容器本体５０を有している。
この容器本体５０には、排出経路１２から容器本体５０内に延設する導入管５３が設けられている。この導入管５３の先端部５３ａは、容器本体５０に導入される冷却水の液面Ｌよりも下の液相中で、当該導入管５３から排出される水蒸気が細かく分散してバブリングできるように、容器本体５０内の底部付近の位置に設けられる。この先端部５３ａ は、その外周面全体に複数の孔が穿孔された状態となされている。この構成により、導入管５３からの水蒸気は、容器本体５０内で冷却水の液相中で細かく分散してバブリングすることによって混合されることとなり、冷却水との混合時の衝撃が緩和される。したがって、容器本体５０の破損防止が可能となる。また、容器本体５０内での圧力変動が抑制されることとなり、凝縮圧力が安定するので、発電出力の安定を図ることができる。また、混合時の異音の発生も抑制できる。
容器本体５０には、冷却水供給経路１３が設けられている。この冷却水供給経路１３には、冷却水用ポンプＰ１が設けられており、この冷却水用ポンプＰ１の回転数を制御部１０によって制御することで、容器本体５０内に供給する冷却水の供給量を調整できるようになされている。
容器本体５０には、当該容器本体５０内で調整された凝縮水を容器本体５０内から外部に送液するための凝縮水供給経路１４が接続されている。この凝縮水供給経路１４には、凝縮水用ポンプＰ２が設けられており、この凝縮水用ポンプＰ２の回転数を制御部１０によって制御することで、容器本体５０内で温度調整された凝縮水を外部に送液する量を調整できるようになされている。
容器本体５０には、当該容器本体５０内の液面Ｌを検知する液面検知センサＳおよび温度センサＴが設けられている。このうち、液面検知センサＳは、容器本体５０内の異なる高さで液面Ｌを感知することができるように複数本（本実施の形態では３本）が異なった高さに設置されている。
凝縮装置５は、排出経路１２から排出される水蒸気を容器本体５０内で冷却水と直接混合することによって凝縮させ、これによって所定温度の凝縮水に調整することができるようになされている。そして、凝縮水の調整と、凝縮水の外部への送液を制御部１０によって制御するようになされている。
制御部１０は、温度センサＴから得られる凝縮水温度の検知結果に基づいて冷却水用ポンプＰ１の回転数を制御することで、容器本体５０内に供給する冷却水の供給量を制御して所定の温度の凝縮水（例えば、冷水または温水）に調整することができる。また、制御部１０は、温度センサＴから得られる凝縮水温度の検知結果に基づいて冷却水用ポンプＰ１の回転数を制御することで、容器本体５０内に供給する冷却水の供給量を制御してこの容器本体５０内を所定の凝縮圧力に制御することができるようになされている。この凝縮圧力の制御は、同時にスクロール膨張機３の出口側の凝縮圧力を制御することとなるので、スクロール膨張機３の発電出力を制御できることとなる。制御部１０によって、凝縮水の温度の制御を優先するか、発電出力の制御を優先するかは、需要に合わせて適宜制御部１０の設定を変更することで、調整することができる。
制御部１０は、液面検知センサＳから得られる液面Ｌの検知結果に基づいて凝縮水用ポンプＰ２の回転数を制御することで、容器本体５０から外部に送液される凝縮水の量を調整して、容器本体５０内に、常に導入管５３から排出される水蒸気が液相中でバブリングできるだけの液相の量を維持できるようになされている。この制御により、制御部１０は、水蒸気と冷却水との良好な混合状態を保ち、凝縮装置５の安全運転を維持することができる。
なお、本実施の形態において、凝縮装置５は、導入管５３から排出される水蒸気を液相中で細かく分散してバブリングさせるように構成することにより、騒音抑制および圧力変動抑制を図るようになされているが、水蒸気の温度が比較的低いような場合や、凝縮圧力の影響を受け難いような膨張機３を使用しているような場合には、このように細かく分散してバブリングするように構成されたものでなくても良い。また、導入管５３の先端部５３ａは、水平方向に配置された円筒部分の外周面に多数の孔を穿孔して、これら多数の孔から水蒸気を細かく分散してバブリングさせるように構成されているが、この先端部５３ａの形状としては特に限定されるものではなく、例えば、図２に示すように、先端部５３ａに設けた球体部分の外周面全体に多数の孔が穿孔されて、液相中の全方向に水蒸気を細かく分散してバブリングさせるように構成されたものであってもよいし、先端部５３ａに設けた拡径された半球の球面部分に多数の孔が穿孔されて、液相中の液面Ｌとは反対の方向に水蒸気を細かく分散してバブリングさせるように構成されたものであってもよい。
図３は、本発明の他の実施の形態に係る動力発生装置１ａを示している。図３において、図１に示す動力発生装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。
この動力発生装置１ａは、上記した図１に示す動力発生装置１の凝縮装置５の容器本体５０の上面に、大気開放弁６を有する大気開放経路１５が設けられている。
容器本体５０内では、水蒸気と冷却水とを直接混合して水蒸気ガスを凝縮液化させているが、時間の経過とともに、凝縮液化しなかった不凝縮ガスが溜まってくることとなる。この不凝縮ガスが容器本体５０内に溜まってくると、制御部１０による凝縮圧力の制御が困難になる。
そこで、本発明に係る動力発生装置１ａの制御部１０は、起動時に、以下のように制御するようになされている。
すなわち、動力発生装置１ａの制御部１０は、起動時に冷却水用ポンプＰ１を回転させて冷却水供給経路１３から容器本体５０内に冷却水を充填するとともに、大気開放弁６を開ける。そして、容器本体５０内の液面Ｌを上昇させることによって、当該容器本体５０内に溜まっていた不凝縮ガスを大気開放経路１５から容器本体５０の外へと排出する。
不凝縮ガスの排出後、制御部１０は、大気開放弁６を閉じ、凝縮水用ポンプＰ２を回転させて、容器本体５０内が所定の液面Ｌの高さになるまで、当該容器本体５０内に充填した冷却水を外に排出する。これらの一連の動作は、液面検知センサＳから得られる液面Ｌの検知結果に基づいて行われる。
そして、制御部１０は、凝縮水用ポンプＰ２を停止し、蒸気発生器２からのスクロール膨張機３への水蒸気の供給を開始して発電および凝縮水の調整を開始する。その後、制御部１０は、上記したように、温度センサＴから得られる凝縮水温度の検知結果に基づいて、凝縮水温度の制御、または発電出力の制御を行う。この際、凝縮水温度の制御を優先するか、発電出力の制御を優先するかは、需要に合わせて適宜制御部１０の設定を変更することで、調整される。
この動力発生装置１ａの場合、起動時に、容器本体５０内に溜まった不凝縮ガスを、真空ポンプを使用することなく外部に排出することができるので、真空ポンプを使用しない分だけ装置の構成を簡素化できる。また、不凝縮ガスを容器本体５０から外部に排出しているので、運転時の凝縮圧力の制御を良好に行うことができ、発電出力の制御を快適に行うことができる。
なお、上記した各実施の形態において、動力発生装置１、１ａは、スクロール膨張機３を用いているが、この膨張機としては、スクリュー膨張機、ベーン膨張機、レシプロ膨張機または斜板式膨張機などであってもよい。
また、上記した各実施の形態において、動力発生装置１、１ａは、冷却水用ポンプＰ１の回転数を制御部１０によって制御することで、冷却水供給経路１３から容器本体５０内に供給する冷却水の供給量を制御するようになされているが、既に冷却水供給経路１３に水圧が加わっているような場合には、冷却水用ポンプＰ１に替えて流量調整弁（図示省略）を用いるものであってもよい。
１ 動力発生装置
１ａ 動力発生装置
１０ 制御部
１１ 供給経路
１２ 排出経路
１５ 大気開放経路
２ 蒸気発生器
３ スクロール膨張機（膨張機）
４ 発電機
５ 凝縮装置
５３ 導入管
６ 大気開放弁
Ｌ 液面
Ｓ 液面検知センサ
Ｐ１ 冷却水用ポンプ

Claims (3)

  1. 蒸気発生器で発生した水蒸気が膨張機に供給されて膨張機が駆動される動力発生装置であって、
    膨張機の下流側の経路には、膨張機を通過した後の水蒸気を冷却水と直接混合することで、水蒸気を凝縮する凝縮装置が設けられ、
    この凝縮装置は、その上部に、大気開放弁を有する大気開放経路が接続され、容器本体内に冷却水を充填するとともに、大気開放弁を開けて容器本体内の液面を上昇させて容器本体内に溜まっていたガスを大気開放経路から容器本体の外へと排出した後、大気開放弁を閉じ、容器本体内が所定の液面高さになるまで容器本体内の冷却水を排出し、かつ、冷却水の供給量の調整によって所定温度の凝縮水が得られるように制御する制御部を有することを特徴とする動力発生装置。
  2. 凝縮装置には、液面高さの検知手段が設けられ、この液面高さによって凝縮装置から送液されるポンプの回転数を制御する制御部が設けられた請求項１記載の動力発生装置。
  3. 凝縮装置には、膨張機の下流側の経路から水蒸気の導入管が導入され、この導入管は、凝縮装置内の所定水位下の液相中でバブリングするように、当該所定水位下の部分に複数の孔が穿孔されてなる請求項１または２記載の動力発生装置。
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