JPS6157446B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電プラント、特に、熱源からの熱を
作動媒体に移し、該作動媒体によりタービンを駆
動して発電をなすプラントであつて、熱源の温度
レベルが比較的低いエネルギ源、例えば、地熱、
工場廃熱からの利用に好適に使用しうる低沸点媒
体タービンプラントに関する。

従来この種の低質エネルギ利用発電プラントに
は、作動媒体として水より沸点の低い物質を用い
て熱の回収率を上げるように工夫されたプラント
がある。第１図において従来技術を説明する。高
温熱源１とタービン作動媒体４とを、予熱器６と
蒸発器７で熱回収し、発生した作動媒体の蒸気と
液と気液分離器８で分離し、蒸気によつてタービ
ン１０を回転させて発電機１１によつて電気に変
換する。タービンで仕事をした蒸気は凝縮器１２
にはいり、冷却水１３によつて液化されて、ポン
プ５により昇圧され再び予熱器６にはいる。この
サイクルを温度−エンタルピ、及び温度−エンタ
ロピ線図上に表わすと第２図、第３図のようにな
る。図において、５１は高熱源温度、５２は作動
媒体飽和液線、５３は作動媒体湿り蒸気域、５４
は作動媒体飽和蒸気線、５５は等圧力線、５６は
等エンタロピ線である。第２図では、高温熱源に
地熱水のような顕熱性の熱源を例としてとり、作
動媒体のサイクルCDEFGと同一グラフ上に高熱
源の温度・エンタルピの状態変化を線５１で示し
た。ただし、一般には水と作動媒体の流量が異る
ので、その比を補正したエンタルピを横軸にとつ
ている。

高熱源の温度T₁が比較的低い場合には、第２
図のように、高熱源の温度変化線ABと作動媒体
の加熱時の状態線CDEとが中央部で絞られる形
になり、この時の温度軸での距離、すなわちピン
チポイント温度差が熱交換器の大きさ、ひいては
プラントの建設費に影響することになる。経済性
の要求からピンチポイント温度差は、ある程度の
大きさが必要であり、このため、作動媒体の蒸気
温度を上昇させると高熱源温度の出口温度（点Ｂ
のの温度）は上昇し、回収効率が低下してくる。

他方、タービンで有効にとりだせるエネルギ量
は、回収されたエネルギ量の一部であり、第３図
のCDEFGで囲まれた面積がタービン内部損失、
発電機損失等の機械的損失を無視したときの有効
エネルギを示している。凝縮器で冷却水に捨てら
れる無効エネルギはCGFHIJの面積で表わされ、
凝縮液温Tcを一定にして、蒸気温度を増加させ
るを有効エネルギの割合が増加、すなわち、サイ
クル効率が増加することがわかる。

上述のことを図で示すと第４図のようになり、
発電端出力は、ほぼ回収率η、とサイクル効率η
＋ｈの積に比例するので、図の破線のような変化
をし、出力を極大にするような蒸気温度が存在す
る。このとき、回収率、サイクル効率ともに、そ
の最大値よりも小さい。すなわち、従来技術で
は、主としてピンチポイント温度差を正の有限の
大きさりせざるをえないために、回収率、サイク
ル効率ともに最大値より低い値でシステムを作動
させねばならず、このため極大点における出力を
十分に高くできないという欠点があつた。

本発明の目的は、作動媒体の蒸気の発生を超臨
界圧領域で行なえば回収率、サイクル効率ともに
上昇する性質があることを利用し、超臨界圧まで
加圧できるシステムにして蒸気を発生させ、最大
出力を得られる低沸点媒体タービンプラントを提
供するにある。

本発明の特徴は、超臨界圧領域で圧力の増加と
共に温度−エンタルピ線図上の等圧線が右上がり
の直線に近づいてくる性質を利用し、タービン作
動媒体の蒸気を超臨界圧にすることによつて高熱
源からの熱回収率が向上することをねらつた低沸
点媒体のタービンプラントにある。

本発明の一実施例について、図面を参照して説
明する。この例は、高温熱源として、温度140℃
の地熱水、作動媒体として冷媒Ｒ−１２を用いて
いる。第５図において、地熱水は入口１から取り
込まれ、貫流ボイラ２２で作動媒体の冷媒Ｒ−１
２（フロン）に熱交換された後、ボイラ出口２か
ら外界に出ていく。低圧のフロンはポンプ５によ
つて加圧され、貫流ボイラ２２内で熱水１によつ
て加熱されるが、膨張させても湿り領域に入らな
い所まで減圧弁１８によつて圧力を下げて膨張さ
れ、次に再熱器２３に導かれて再び地熱水によつ
て加熱され超臨界圧流体となつた後に高圧タービ
ン１０で膨張する際に仕事として低圧フロン蒸気
となり、フロン凝縮器１２内で冷却水１３によつ
て液化されるという閉サイクルシステムを構成す
る。

本発明の上記実施例によると、次のような効果
を発揮する。第６図は、冷媒Ｒ−１２の温度−エ
ンタルピ線図を表わしたものである。高熱源温度
T₁を一定にして、圧力を超臨界圧まで上昇させ
たとき、熱源口温度が圧力の上昇とともに下降す
る様がわかる。すなわち、図中、右上がりの線６
１は等圧線で P₁＜Perit＜P₃＜P₄ とすると、熱源温度T₁と作動媒体Ｒ−１２の温
度との差の最小値がピンチポイント温度差Δθｐ
となるような高熱源の入口、出口温度は各圧力に
対して、Ｐ＝PeritのときはT₁″，T₂″，Ｐ＝P₃の
ときはT₁′，T₂′，Ｐ＝P₄のときは、T₁，T₂とな
り、出口温度が降下していく、すなわち、熱回収
率が向上していく。つまり、６２はP⁴（超臨界圧
力）線にΔθｐ分上乗せした線、６３はPerit
（臨界圧力）線にΔθｐ分上乗せした線である。

他方、上記サイクルを温度−エンタロピ線図上
に表示すると第７図のようになり、圧力を増加さ
せるにつれて有効エネルギ（Ｐ＝P₃のときは７
６，７４″，７３，７７，７８で囲まれる面積）
に対する無効エネルギ（凝縮液温Tcの飽和圧力
Ｐ＝P₀と絶対零度間の７６，７８，７７，７
７′，７８′，７６′で囲まれる面積）の比が次第
に大きくなり、サイクル効率として表示すると第
８図のようになる。

温度−エンタルピ線図（第６図）からわかるよ
うに貫流ボイラ出口の超臨界流体は、同一流体温
度で比べると圧力を上げれば上げるほど状態点が
図の左側（低エンタルピ側）に移動するためピン
チポイント温度差を一定に保つた条件のもとでは
熱源出口温度を低下させうる。換言すれば回収率
を向上させることができるが、反面、第７図の温
度−エンタルピ線図において、圧力を上げるほど
断熱膨張線（図の垂直線）が湿り域にはいる度合
が大きくなるという性質をもつている。一般に、
タービン内の膨張過程（近似的に断熱膨張線とみ
なす）において湿り域にはいれば液滴によるター
ビン翼のエロージヨン、蒸気流量減少による効率
低下等の不都合が発生するので、この実施例では
湿り域にはいる以前７４″まで膨張させ、そこか
ら、再熱して状態７３まで加熱することをねらつ
ている。温度レベルの低い低質エネルギを利用し
た場合には、７４→７４″の膨張による仕事量は
ランキンサイクル全体の有効エネルギ量に比べて
小さい場合が多いので、絞り弁１８を設けて回収
率の増大のみを企つたものである。膨張の熱落差
が大きい場合には、絞り弁に代えて、高圧タービ
ンを設け、発電する方法も考えられる。

従がつて、従来例で述べたような超界圧以下の
領域（亜臨界圧）で出力に極大点が表われる性質
と合わせて、亜臨界圧、超臨界圧全域にわたつて
回収率と発電端出力を求めると、第９図のように
なる。回収率は亜臨界域では圧力の上昇と共に減
少するが、超臨界域では逆に増加し、サイクル効
率が圧力増加ともに増加する傾向があるので、発
電端出力は図のように、亜臨界圧領域で極大値を
もち、超臨界圧領域では単調増加するような傾向
を示す。この際、圧力が十分に高くなると回収
率、効率ともに頭打ちになる傾向があるので、発
電端出力も増加率が小さくなる。図には、同時に
作動媒体を循環させるに必要なポンプ動力、およ
び、冷却水ポンプ動力を求め、その合計を所内動
力として、また、発電端出力から所内動力をさし
ひいた値を送電端出力として記した。

発電プラントとしては、送電端出力最大の点で
評価すべきであるが、第９図からわかるように、
同一熱源温度に対して、作動媒体の圧力を変える
と亜臨界域と超臨界域に各々、送電端出力の極大
値が表われる。従がつて、熱源温度に応じて最大
送電端出力の得られる圧力になるように作動媒体
圧力を設定して運転することにより、出力性能の
よいプラントを提供することができる。これを実
現するために本実施例では、第５図に併記したよ
うな制御方式を採用する。つまり、熱源入口温度
を温度計１９で検出し、糸の圧力があらかじめ解
析プログラムで求められた最適圧力Pm（熱源温
度Ｔの関数）になるように熱源入口温度Ｔに応じ
て制御装置１７によつてポンプ５の回転数を制御
して、常に最大の送電端出力を得るように運転制
御するものである。このポンプ５の回転数並びに
吐出圧はそれぞれ回転計２０及び圧力計１６にて
検出して、前記制御装置１７にフイードバツクさ
れるようになつている。これら制御装置１７は第
１０図に示すように温度計１９で検知された熱源
入口温度Ｔから低沸点媒体の蒸気が超臨界圧力と
なる最適圧力Pmを算出する演算装置１７ａと、
該最適圧力Pmに応じた貫通ボイラ２２に供給さ
れる低沸点媒体の圧力P₀を設定する演算装置１７
ｂと、圧力計１６で検出されたポンプ５の吐出圧
力Ｐと該圧力P₀とを比較する比較装置１７ｃと、
該圧力比較値ｐに基づいてポンプ５への制御信号
ｃを演算する制御器１７ｄとから構成されている
ものである。

第１１図に本発明の他の実施例を示す。タービ
ンの入口でのエンタルピをタービン内、膨張過程
で湿り域にはいらない領域まで高めるために、膨
張と再熱過程を入れる必要があることを前の実施
例のところで説明した。前の実施例では高圧側の
膨張による熱落差が小さい場合が多いので、絞り
弁で膨張させる方式にしてそこでのエネルギ回収
（発電）を省略したけれども、本実施例ではこれ
に代えて高圧タービン１０ａ及び発電機１０ｂで
利用しようとしたものである。また、再熱器２３
を経て超臨界圧力に昇圧された低沸点媒体蒸気は
発電機１１ｂを有する低圧タービン１０ｂで仕事
をするようになつており、その他の構成は前の実
施例のものと同じであるので説明を省略する。こ
の系統によれば、高圧側の熱落差の大きかいかん
によつては、高圧タービンの設備費とそこから生
ずる利益とのかねあいにより、本実施例が有利な
場合もある。尚、本実施例にも第１１図に示した
制御装置が適用可能であることは云うまでもな
い。本発明によれば、タービン作動媒体の蒸気の
発生を超臨界圧領域で行なえるようにしたことか
ら、プラントの熱回収率を向上させ、プラントの
最大出力が得られるようにした低沸点媒体タービ
ンプラントを実現できるという効果が達成され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の低沸点媒体タービンプラント
のシステムを示す略線図、第２図、第３図は従来
のシステムのサイクルを説明するための熱力学的
線図、第４図は従来サイクルの亜臨界圧域での出
力性能を示した説明図、第５図は本発明の一実施
例を示した低沸点媒体タービンプラントのシステ
ムを示す略線図、第６図は本発明の低沸点媒体タ
ービンプラントにおける熱回収率の向上する理由
を示した熱力学的線図、第７図は同じく有効エネ
ルギの圧力による変化様相を示した説明図、第８
図は同じくサイクル効率の圧力依存性を示した説
明図、第９図は同じく本発明の一実施例による出
力への効果を定量的に示した説明図、第１０図は
第５図の制御装置を示す概略図、第１１図は本発
明の他の実施例である低沸点媒体のタービンプラ
ントのシステムを示した略線図である。 １……高温熱源、５……ポンプ、１０……ター
ビン、１０ａ……高圧タービン、１０ｂ……低圧
タービン、１１……発電機、１１ａ，１１ｂ……
発電機、１２……凝縮器、２３……再熱器、１１
６……圧力計、１７……制御装置、１９……温度
計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温熱源から熱を低沸点媒体に回収させる熱
   交換装置と、該熱交換装置を経た低沸点媒体の蒸
   気により駆動されるタービンと、該タービンを経
   た低沸点媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で
   凝縮した低沸点媒体を該熱交換装置に送給するポ
   ンプとを備えた低沸点媒体タービンプラントにお
   いて、前記熱交換装置を経た低沸点媒体を膨張さ
   せる膨張手段を設け、更に前記膨帳手段により膨
   張した低沸点媒体を加熱してこの低沸点媒体の蒸
   気発生を臨界圧力以上の圧力範囲で行なわせる他
   の熱交換器を設け、該熱交換器にて加圧された低
   沸点媒体蒸気を前記タービンに導入するようにし
   たことを特徴とする低沸点媒体タービンプラン
   ト。 ２ 前記他の熱交換器を前記熱交換装置に組み込
   んで同じ高温熱源にて加熱するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低沸点媒
   体タービンプラント。 ３ 前記膨張手段は減圧弁であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の低沸点
   媒体タービンプラント。 ４ 前記膨張手段が他のタービン装置であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の低沸点媒体タービンプラント。 ５ 前記低沸点媒体として高温熱源の入口温度よ
   り低い臨界圧力を有する物質を使用することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   低沸点媒体タービンプラント。 ６ 前記他の熱交換器にて発生する低沸点媒体の
   蒸気圧力を高温熱源の入口温度に応じて調節でき
   るよう前記ポンプの吐出圧力を制御する制御装置
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項又は第３項又は第４項記載の低沸点媒
   体タービンプラント。