特許 5960045 バイナリー発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5960045

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】バイナリー発電システム

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/02 20060101AFI20160719BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20160719BHJP

   F01K 25/06 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   F01K23/02 Z

   F01K25/10 G

   F01K25/10 Z

   F01K25/06

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-283916(P2012-283916)

(22)【出願日】2012年12月27日

(65)【公開番号】特開2014-125990(P2014-125990A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年5月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 亮

(72)【発明者】

【氏名】香月 紀人

(72)【発明者】

【氏名】福田 憲弘

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５３−１７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−６８００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−７８２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−２０３０３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１２−１５９０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−２５５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−４４４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２３／０２

Ｆ０１Ｋ ２５／０６

Ｆ０１Ｋ ２５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温熱源と、媒体とを熱交換する熱交換器と、
該熱交換器にて熱交換された前記媒体が供給され、動力を取得する二相流タービンと、
前記二相流タービンによって駆動される発電機と、
前記二相流タービンから流出した前記媒体を気液分離するセパレータと、
該セパレータから、前記媒体を気液分離して得られた蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービンと、
該蒸気タービンによって駆動される発電機と、
該蒸気タービンからの蒸気を凝縮する復水器と、
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2】

前記媒体は水であることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

【請求項3】

前記媒体は低沸点有機媒体であることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

【請求項4】

前記媒体は代替えフロンであることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

【請求項5】

前記二相流タービンは、衝動式タービンである、ことを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

【請求項6】

前記二相流タービンは、容積型タービンである、ことを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は地熱・排熱等の低温熱源によって、低沸点媒体と熱交換させて、その熱エネルギーを動力に変換するバイナリー発電システムに関し、特には、媒体として水を使用することで、安全性向上、低コスト化を図った、バイナリー発電システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、原発からの脱却への要望と、さらには、ＣＯ_２削減の要請から、自然エネルギーや工場排熱、エンジン冷却水等の低温熱源のエネルギーの利用がますます脚光を浴びつつある。

【0003】

バイナリー発電方式は、他の方式の発電では利用できなかった低温領域の熱水（流体）での発電が可能となり、主に中低温域の流体の利用ができるのが特徴となっている。
バイナリー発電方式は、単体の流体を媒体として用いるものをランキンサイクルと称し、ＯＲＣは、蒸気やガスの熱で水より沸点の低い有機
（オーガニック）媒体を気化、その蒸気でタービンを駆動する発電方式である。

【0004】

バイナリー発電システム１００は、例えば図６に示すように、中低温資源からの熱源を取り込んで低沸点有機媒体と熱交換する熱交換器１１と、熱交換器１１で低沸点有機媒体からの蒸気を取り込んで作動する蒸気タービン１３と、蒸気タービン１３に接続された発電機１７と、蒸気タービン１３で使用された蒸気を凝縮して水に戻す復水器１４と、復水器１４で得られた水を熱交換器１１に低沸点有機媒体と共に、熱交換器１１に送るポンプ１８とを備えている。

【0005】

かかるバイナリー発電システム１００の温度−エントロピー（Ｔ−Ｓ）線図は、図７のように示すことができる。図６中の丸囲み数字は、図７に示す状態図の各ポイント位置を示すものである。なお、図６中の丸囲み数字１−９は、明細書中では、それぞれ１−９として記載する。
このＴ−Ｓ線図によれば、状態１から状態２において、低沸点有機媒体は、状態１で飽和液としてポンプ１８に入る。ポンプ１８から熱交換器１１入口まで断熱圧縮であり、低沸点有機媒体は温度が微増する。
状態２から状態３において、低沸点有機媒体は、熱交換器１１において、中低温資源からの熱源との熱交換により定圧加熱される。これにより、低沸点有機媒体が沸騰して蒸気が取り出される。
状態３から状態４において、蒸気は断熱膨張し、状態４から状態５では、蒸気タービン１３において蒸気が断熱膨張しながら仕事をして温度が下降し、復水器１４にもたらされる。
そして状態５から状態１’において、温度下降した蒸気は、復水器１４で送風機１４ａにより凝縮して飽和液となってポンプ１８に送り込まれる。
以上のように、バイナリー発電システム１００は、低温領域の熱水（流体）での発電が可能となり、主に低・中低温域の流体の利用ができることがわかる。

【0006】

ところで、従来、バイナリー発電装置の中には、例えば特許文献１で開示されるように、熱水に含まれる蒸気と熱水とに分離する手段として回転分離式二相流タービンを利用して蒸気と熱水とに分離し、熱水を昇圧して直接熱交換器に供給し、低沸点媒体と直接接触させて熱交換して低沸点媒体の蒸気を発生させ、この蒸気によってタービンを駆動して発電するようにしている。

【0007】

また、特許文献２では、地熱井の坑底に坑底ポンプを設けるとともに、地表に回転分離器を有する二相流タービンを設置し、坑底ポンプにより地上に輸送された地熱水を回転分離式二相流タービンの回転分離器に導入して回転分離器を回転させるとともに、蒸気と熱水とに分離し、かつ回転分離器の動力を利用して坑底ポンプを駆動するようにしたことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特公平１−４７６０１号公報

【特許文献2】特公平２−４３９１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上記特許文献１のものでは、二相流タービンを使用し、低沸点媒体としてイソブタン、ブタン等、親水性のない特性を有するものが記載されているに過ぎない。
また、特許文献２のものでは、二相流タービンを使用しているものの、熱交換後の二相流と蒸気タービンの組み合わせのものではなく、媒体として水を使用することも想定されていない。
ＯＲＣに代表されるバイナリー発電を行う際、熱交換器で上昇させることが可能なタービン入口温度が低くなるため（熱落差が小さい）ため、サイクル効率が低い。また、低沸点有機媒体を使用するため、取り扱いが難しく、安全性他の確保のため高コスト、環境のリスクが大きい。水を媒体に使用した場合、効率が悪い。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、有機媒体の代わりに水を媒体として用いることにより、サイクル効率を高めるようにした、バイナリー発電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、請求項１にかかる発明では、５０°〜３００℃の低温熱源と、媒体とを熱交換する熱交換器と、熱交換器にて熱交換された前記媒体が供給され、動力を取得する二相流タービンと、前記二相流タービンによって駆動される発電機と、前記二相流タービンから流出した前記媒体を気液分離するセパレータと、セパレータから、前記媒体を気液分離して得られた蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービンと、蒸気タービンによって駆動される発電機と、蒸気タービンからの蒸気を凝縮する復水器と、を備えたことを特徴とする。

【0011】

ここで、５０℃〜３００℃の低温熱源としたのは、低沸点媒体として例えばペンタン（沸点：３６度）を始めとして、イソブタン（Ｃ_４Ｈ_１０、沸点−１１．７℃）、アンモニア（沸点：−３３℃）と水の混合流体、あるいは代替えフロン（沸点：３４℃）を用いた場合でも、熱交換によって、低沸点媒体を十分に沸騰させることができるからである。
このように、セパレータにて気液二相流媒体を蒸気と熱水とに気液分離し蒸気タービンにて発電機を駆動させることで、これまで発電に利用が困難であった低中温度の熱源を発電に利用が可能となることがわかる。

【0012】

これにより、熱交換出口が飽和蒸気でなく、飽和水でよくなるため、大きな熱落差が得られ、サイクル全体としては効率が向上する。安全性、環境性、取扱い易さという点で有利であり、プラント全体の低コスト化、安全性が向上する。

【0013】

また、請求項２にかかる発明では、媒体は水であることを特徴とする。

【0014】

これにより、熱交換出口が飽和水でよく、二相流タービンでのタービン効率が低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。しかも、媒体が水であるから、プラント全体のコスト抑制、安全性も向上する。

【0015】

また、請求項３にかかる発明では、媒体は低沸点有機媒体であることを特徴とする。

【0016】

媒体に低沸点有機媒体を用いることにより、システム効率は低下するが、二相流タービンの出力が全体の１５パーセントであり、ペンタンを用いた、ＯＲＣと比較すれば同等の出力が得られる。
熱交換器では、液−液の状態で熱交換が可能であるため、従来ＯＲＣの気−液熱交換より作動流体比体積が小さく、熱交換器を小型化できる分、コストを抑えることができる。

【0017】

また、請求項４にかかる発明では、媒体は代替えフロンであることを特徴とする。

【0018】

これにより、プラントの安全性は確保される。二相流タービンでのタービン効率が低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。

【0019】

また、請求項５にかかる発明では、二相流タービンは、衝動式タービンである、ことを特徴とする。

【0020】

これにより、低沸点有機媒体を使用時には、条件次第でノズル出口を渇き度１００％で出すことが可能であり、タービン効率の向上が期待できる。

【0021】

さらに、請求項６に記載の発明では、二相流タービンは、容積型タービンである、ことを特徴とする。

【0022】

これにより、スクリューは渇き度に対してロバスト性があり、信頼性向上が期待できる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、システム全体効率が向上し、且つ、水を媒体として使用することにより安全性が向上し、設備コストの抑制が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明によるバイナリー発電システムの第１実施形態を示す全体系統説明図である。

【図2】図１に示すバイナリー発電システムのＴ−Ｓ線図である。

【図3】図１に示すバイナリー発電システムにおいて、低沸点有機媒体にペンタンを用いた場合の、熱源温度とサイクル効率の関係を示すグラフである。

【図4】バイナリー発電システムの参考例を示す全体系統説明図である。

【図5】本発明によるバイナリー発電システムの第１実施形態において用いられる蒸気タービンの一例を示す斜視説明図である。

【図6】従来におけるバイナリー発電システムの一例を示した、概略系統図である。

【図7】図６に示すバイナリー発電システムのＴ−Ｓ線図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明にかかるバイナリー発電システムの実施形態を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。

【0026】

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態にかかるバイナリー発電システム１０を示す。
このバイナリー発電システム１０は、５０°〜３００℃の低温熱源と媒体とを熱交換する熱交換器１１を備えている。
また、バイナリー発電システム１０は、熱交換器１１からの媒体の気液二相流媒体を蒸気と熱水とに気液分離するセパレータ１２を備えている。
さらに、バイナリー発電システム１０は、セパレータ１２から、気液分離後の蒸気を供給して、動力を取得する蒸気タービン１３と、蒸気タービン１３からの蒸気を凝縮する復水器１４と、を備えている。
そして、熱交換器１１とセパレータ１２との間には、熱交換後の媒体の気液二相流媒体を供給して動力を取得する二相流タービン１５を備えている。

【0027】

このバイナリー発電システム１０では、媒体として、水を用いている。
地熱における熱源は、略２２０℃で、熱交換器１１において媒体としての水は、熱交換によって熱交換器１１の出口から１９０℃前後の飽和水として取り出され、後述の二相流タービン１５に供給されるようになっている。

【0028】

二相流タービン１５は、図示は省略するが周知の軸流タービンが可能である。
前述の１９０℃程の飽和水が通流することで回転して回転軸につながる発電機１６が回されて電力を取り出すようになっている。

【0029】

次に二相流タービン１５の出口側につながる密封型のセパレータ１２は、二相流タービン１５からの飽和水を含む気体と熱水の二相流から、蒸気と熱水とを分離するもので、密封された筐体１２ｂを備える。すなわち、筐体１２ｂの上部から蒸気が分離され、筐体の底部から熱水を取り出して分離するようになっている。

【0030】

さらに、セパレータ１２の下流側の蒸気タービン１３は、セパレータ１２で分離された蒸気で回転して、蒸気タービン１３の回転軸につながる発電機１７が回されて電力を取り出すようになっている。

【0031】

そして復水器１４は、空冷式のもので、蒸気タービン１３を通過した蒸気を送風機１４ａにより凝縮して、飽和液となって下流側の第１ポンプ１８に送り込まれるようになっている。

【0032】

第１ポンプ１８の下流側は、前述のセパレータ１２において分離された熱水と合流するようになっており、熱交換器１１へ圧力を高めた飽和液として送り込むための第２ポンプ１９に送り込まれる構成である。

【0033】

第１実施形態にかかるバイナリー発電システム１０は以上のように構成されるものであり、次に、図２に示す温度−エントロピー（Ｔ−Ｓ）線図に基づいて動作を説明する。
媒体としての水は、状態１において、復水器１４から出力された復水を第１ポンプ１８により、状態２’でセパレータ１２から分離された熱水と等圧になるまで昇圧されると共に混合され（状態２）、状態３で、第２ポンプ１９により熱交換器１１へ送り込まれる。
復水器１４からの復水は第１ポンプ１８により昇圧されて温度は微増し、セパレータ１２から分離された熱水と混合することで温度は上昇する。
状態４から状態５にかけて、熱交換器１１において、地熱における略２００℃程の熱源とで、媒体としての水は、熱交換によって昇温して１９０℃程の飽和水として取り出され、状態６で二相流タービン１５に送り込まれる。

【0034】

二相流タービン１５では、上記飽和水が通流することでタービン軸が回転してタービン軸につながる発電機１６が回されて電力を取り出すことができる。
この二相流タービン１５を通過するとき、１９０℃の飽和水は、状態６から状態７に向かって断熱膨張しながら仕事をして温度が下降し、１５０℃程の飽和水としてセパレータ１２に送り込まれる。

【0035】

次にセパレータ１２では、二相流タービン１５からの気体と熱水との二相流から、蒸気と熱水とを分離して、密封された筐体１２ｂの上部から蒸気が分離され、筐体１２ｂの底部から熱水が分離される。

【0036】

セパレータ１２から取り出された蒸気は、状態８．の蒸気タービン１３においてタービン軸を回転することで、タービン軸につながる発電機１７が回されて電力を取り出すことができる。
この蒸気タービン１３を通過するとき、状態８から状態９にかけて蒸気は断熱膨張しながら再度仕事をして温度が下降し、復水器１４へと送り込まれる。

【0037】

そして、復水器１４で送風機１４ａにより、蒸気は凝縮され、飽和水として第１ポンプ１８により、セパレータ１２から分離された熱水と等圧になるまで昇圧されると共に混合され、第１ポンプ１９により再度熱交換器１１へ送り込まれる。このようにランキンサイクルとしての動作が実行される。

【0038】

以上のように、第１実施形態にかかるバイナリー発電システム１０によれば、媒体として水を使用したことにより、熱交換器１１の出口が飽和蒸気でなく、飽和水で足りるため、地熱における熱源が略２２０℃であっても、十分大きな熱落差が得られ、サイクル全体としては効率が向上する（図３参照）。
このように、媒体として水を使用することは、安全性、環境性、取扱い易さという点で有利であり、プラント全体の低コスト化、安全性の向上につながる。

【0039】

本発明は、第２実施形態にかかるバイナリー発電システム１０によっても実施することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態にかかるバイナリー発電システム１０においては、システム構成自体は第１実施形態と同一であるので図示は省略し、相違点のみを説明する。
すなわち、第２実施形態にかかるバイナリー発電システム１０では、媒体として、水の代わりにペンタン（沸点：３６度）などの有機媒体や環境負荷の高い代替えフロン（沸点：３４℃）を使用することもできる。さらには、媒体としては、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０、沸点−１１．７℃）、アンモニア（沸点：−３３℃）と水の混合流体も可能である。

【0040】

以上のような第２実施形態にかかるバイナリー発電システム１０によれば、熱交換器１１の出口が飽和蒸気でなく、飽和水で足りるため、地熱における熱源が略２２０℃であっても、十分大きな熱落差が得られ、二相流タービン１５でのタービン効率が約２０％程低下するものの、サイクル全体としては効率が向上する。

【0041】

（参考例）
図４に参考例にかかるバイナリー発電システム１０を示す。
参考例では、媒体としてペンタンなどの低沸点有機媒体を用いている。
ここでのバイナリー発電システム１０は、第１、第２実施形態のシステムと異なり、二相流タービン１５を除いている。その他の構成は、第１、第２実施形態のシステムと同一であるので、説明は省略する。

【0042】

このような参考例にかかるバイナリー発電システム１０によれば、システム効率は低下するが、ペンタンなどの低沸点有機媒体では、第１実施形態の二相流タービン１５における出力が全体の１５％程度と小さいため、ペンタンＯＲＣと比較すれば、同等の出力が得られる。
熱交換器１１では液−液の状態で熱交換可能であるため、従来ＯＲＣの気−液熱交換により、作動流体比体積が小さく、熱交換器が小さくなる分、熱交換器にかかるコストを抑制することができる。

【0043】

以上、本発明について第１〜第２実施形態を挙げ、説明した。
第１実施形態にかかるバイナリー発電システム１０に用いられる二相流タービン１５は、図５に示すように、衝動式タービンを用いることができる。
この場合、二相流タービン１５は、タービン軸２０とロータ２１とノズル２２を備えている。ロータ２１の外周面には、等間隔に動翼２３が突設されている。また、ノズル２２は、熱水が動翼２３に向かって噴出されるように配置される。この場合ノズル２２は、先端噴出口２２ａが角型に開口し、センタ側に向かって拡開する形状としている。

【0044】

なお、二相流タービン１５は、衝動式タービンの他、容積型のタービン（図示省略）も可能である。

【0045】

以上のような衝動式タービンの二相流タービン１５を用いると、媒体として、低沸点有機媒体を使用するときは、条件次第でノズル出口を渇き度１００％で出すことが可能であり、タービン効率の向上が期待できる。

【0046】

一方、衝動式タービンの二相流タービン１５に容積型のタービンを用いると、スクリューは乾き度に対して効率がロバストな特性があり、エロージョン等にも強く、信頼性向上が期待できる。

【0047】

ここで、本発明を実際に、媒体にペンタンを使用した例と、媒体に水を使用した例を挙げて比較して検証する。
図１で示したバイナリー発電システム１０において、媒体としてペンタンを用いたペンタンハイブリットサイクルについて説明する。
ペンタンハイブリッドサイクルでは、低温熱源の温度が２００℃、熱交換器１１による熱交換で得られたペンタンの温度は、１８９．９９℃、二相流タービン１５による、発電機１６の出力が５５３ｋＷ、蒸気タービン１３による発電機１７の出力が３５４２ＫＷであり、総発電出力が４０９５ＫＷ、送電出力が３３５０ＫＷで、サイクル効率が１３．８５％であった。
以上のように、ペンタンを媒体として用いた場合、出力の大部分を、蒸気タービンが占めていることがわかる。この場合、蒸気タービンに流入する蒸気の流量他、作動条件は現行ＯＲＣと類似しており、実現性が見込まれる。
二相流タービンをなくし、出力を多少下げても、蒸発器が不要となり、低コストで製造可能となり、現行ＯＲＣに比較して優位性のあるシステムであるといえる。

【0048】

一方、図１で示したバイナリー発電システム１０において、媒体として水を用いた水ハイブリッドサイクルについて説明する。
水ハイブリッドサイクルでは、二相流タービン１５による、発電機１６の出力が１２３８ｋＷに対し、蒸気タービン１３による発電機１７の出力が２２０６ＫＷであり、総発電出力が３４４３ＫＷ、送電出力が２９９１ＫＷで、サイクル効率が１２．３７％であった。
以上のように、水を媒体として用いた場合、出力配分が、二相流タービン１５と蒸気タービン１３とで、１：２程度となっている。
蒸気タービン１３への蒸気の流量が小さくタービンの効率を８０％確保できるかが課題ではある。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明のバイナリー発電システムは、システム全体効率が向上し、且つ、水を媒体として使用することにより安全性が向上し、設備コストの抑制が可能となる。そのため本発明は、様々な規模の、さらには、様々な方式のバイナリー発電システムに適用可能である。

【符号の説明】

【0050】

１０ バイナリー発電システム
１１ 熱交換器
１２ セパレータ
１２ｂ筐体
１３ 蒸気タービン
１４ 復水器
１５ 二相流タービン
１６、１７ 発電機
１８ 第１ポンプ
１９ 第２ポンプ
２０ タービン軸
２１ ロータ
２２ ノズル
２３ 動翼

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】