JPH02238104A - 蒸気タービン発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、蒸気タービン発電プラント、殊にタービン排
気ダクト（排気ライン）に適用する半導体へ熱電変換装
置に関する。

従来の技術 従来の蒸気タービン発電プラントの基本的なプラントシ
ステム構成を第８図に基づいて説明すると、図中、符号
０１は復水器、０２は給水ポンプ、０３は給水加熱器、
０４はボイラ、及び０５は蒸気タービンであって、復水
器Ｏｌ内の復水が給水ボンプ０２により昇圧されて給水
処理装置（図示せず）で処理される。

その後、給水ヒータ０３で加熱され、給水管０６を経て
ボイラ０４へ供給され、過熱により蒸気となる。

そして、発生蒸気は主蒸気管０７を経て府記蒸気タービ
ン０５に導入され膨張仕事によりタービン０５を駆動し
てそのタービンに連結する発電機０５’を回して電力を
発生する。

そこで、蒸気タービン０５で仕事をした蒸気は若干の湿
り度を有する低圧湿り蒸気となり、排気ダクト０８を経
て前述の如き復水器０１に再投入され、冷却水により冷
却され凝縮復水する。

また、第９図に示す蒸気タービンプラントのｉ−ｓ線図
（エンタルピーエントロビ線図）に基づいて以上の蒸気
サイクルを説明すると、ボイラ０４で発生した圧力Ｐ１
、温度ｔｅ，エンタルピｉｅの高温高圧蒸気（点ａ）が
、蒸気タービン０５出口で圧力Ｐ，まで膨張し、温度ｔ
Ｉ２、エンタルピｉ（２の湿り蒸気、つまりタービン排
気（点ｂ）となる。

そして・、その排気が復水器０１で冷却により凝縮しエ
ンタルピｉｃなる復水（点Ｃ）となり、復水は給水ボン
ブ０２で昇圧され（点ｄ）、給水加熱器０３を経てボイ
ラ０４で過熱されること（点ａ）となる。

発明が解決しようとする課題 以上述べた従来の蒸気タービン発電プラントは、しかし
次のような問題があった。

蒸気タービンプラントは熱エネルギを保有する高温高圧
の蒸気をタービンで膨張し機械エネルギに一旦変え、発
電機を回して電気を発生するが蒸気の保有するエネルギ
の約６０％以上が潜熱であり、これを機械仕事に変換出
来ない。

即ち、この場合の蒸気流量をＷとすると、蒸気タービン
プラントの総人熱はＷ・（ｉｅ−ｉｃ）　（第９ずオ　
． 図参照）となるが、そのうちＷ・（ｋ−１０）に相当す
る凝縮潜熱が復水器Ｏｌへ、厳密には復水器０１を通る
冷却水へ棄てられている。

このため、最新鋭の発電プラントでも、（タービンプラ
ント効率η７ｐ　）＝　（ｉｅ　−　ｉ１Ｊ）／（ｉｅ
　−　ｉｃ）Ｘ　１０Ｇ％は５０％以下となり発電効率
は低いのが現状であ？。

例えば高性能の蒸気タービンでは再熱再生方式を採用し
、排気圧０．０５ａｔａ程度まで膨張し、湿り度約１０
％程度の飽和蒸気で入熱の約５５％が復水器に棄てられ
ており、前記タービンプラント効率η■，は約４５％程
度である。

そこで、本発明の目的は、以上の復水器における多大な
廃棄熱を回収し有効利用すべく、その熱を電力に変換し
て取出すことにより総合タービンプラント効率の向上を
図る装置を提供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、このような従来の課題を解決するために、蒸
気タービン発電プラントにおいて、蒸気タービンの排気
を高温熱源とし、冷却水を低温熱源とする半導体熱電変
換装置をタービン排気ダクトに設置し、タービン排気の
保有潜熱を電気に変換すると共に、タービン排気を凝縮
して復水器を不要としたものである。

作用 ？のような手段によれば、従来復水器にて廃棄されてい
たまだ高温のタービン排気の有効な潜熱が、半導体熱電
変換装置により電気に変換されるので、その電気エネル
ギに相当する熱エネルギ分の回収により、総合タービン
プラント効率η■。

を高めることができる。

実施例 以下第１〜７図を参照して、本発明の一実施例について
詳述する。

しかして本発明によれば第１及び２図に示す基本的な蒸
気タービンサイクルにおいて、従来の如き復水器０１（
第８図参照）は不要とされ、その代りに蒸気タービン５
の排気を高温熱源とし、かつ冷却水を低温熱源とする半
導体熱電変換装置ｌがタービン排気ダクト８に設置され
ている。

この半導体熱電変換装置１は排気の保有潜熱を電気に変
換すると共に、タービン排気を凝縮するものである。

即ち、該変換装置１の構造組成を第３〜６図に基づいて
説明すると、第３図は変換装置の概観を示し、第４及び
５図は変換装置内の熱交換器のタービン排気側接触面（
第４図）及び冷却水側接触面（第５図）を夫々示す。ま
た、第６図は前記半導体素子材、っまり熱電変換材料の
配置及びその接続方式の例を示しており、プレート型熱
交に類似して伝熱効率を高めるために溝付或いはハニカ
ム構造２ａ等を有する多数の熱交換器２　（第３〜５図
参照）が、やはり熱効率の点から対向して流動する高温
熱源に供するタービン排気と低温熱源に供する冷却水と
の各通路３，４に挾まれて、該変換装置！内に配列され
ている。

なお、変換装置１底郎にはタービン排気通路３に連絡す
る復水タンク（溜）ビが設けられている。

これらのプレート熱交型っまり平板状の熱交換器２内（
第６図参照）にはＮ形及びＰ形の半導体素子６が交互に
配列されており、その原理はこれら２種の素子を夫々一
方を高嚇部（タービン排気通路３）側におき、他方を低
温部（冷却水通路４）側において、両高温郎を連結する
とき、Ｎ形、Ｐ形の素子の相違により両低温部の間に電
位差（電圧）接続するようにしたものである。

なお、図中、符号６ａは各素子の高温接合部、６ｂは低
温接合部、及び６ｃは接続電極を夫々示し、接続電極６
ｃを通して所定の電圧が得られるように、Ｎ形、Ｐ形の
半導体素子６が多数直列に接続され、かつ高温熱源温度
Ｔ’ｌ２と低温熱源温度Ｔｃとの差が生じることにより
、熱交換器２を介して高温側から低温側へ流れる熱の一
郎がＮ形、Ｐ形半導体素子６にて直接電気に変換し、残
りの熱量は冷却水に棄てることとなる。

従って、このように半導体素子６からなる熱交換器２、
冷却水通路４、及び復水タンク１′を内包する熱電変換
装置ｌは、発電装置であると同時に従来の復水器０１の
機能を担う凝縮器でもある。

また、第７図に示すようにＮ形、Ｐ形の半導体素子６の
熱電変換性能に関しては、各種熱電変換材料Ａ−Ｆ（た
だし、材料を特定することが本旨ではないのでこの場合
各材料名は省略する）の性能指数Ｚと温度（差）Ｔとに
依存するので、高い熱電変換効率ηエ。を得るためには
、素子材自体の性能並びにその組合せの良否による最適
値、つまり高い性能指数Ｚとかつ広い温度範囲でなるべ
く大きい最適温度Ｔとを選定することが必要である。

次にその作用について説明する。

半導体熱電変換装置１内のプレート型熱交に類似した多
数の熱交換器２の一方の接触面には、排気ダクト８を経
てタービン排気通路３内に高温熱源となるタービン排気
を流動させ、同時に他方の接触面には、前記タービン排
気に対向して冷却水通路４内に低温熱源となる冷却水を
流動させる。

この熱源温度の差の発生により、特にタービン排気の保
有潜熱の一郎が復水タンクビに導入される前に、各熱交
換器２内に直列に配列されたＮ来の発電機５′と共にそ
の電圧、即ち電気エネルギを電力需要側の負荷７に供給
できる。

換言すれば、電気エネルギとして有効に取出された（回
収された）潜熱の一郎熱量分だけ総合ター？ンプラント
効率η１ｏを高めることが可能になる。

この場合、例えばタービン排気温度が従来より設定され
ているｔＸのときのタービンプラント効率をη．，４と
し、また変換装置ｌ１厳密には総熱交換器２の入熱に対
する電気出力の割合（熱電変換率）をη■．とすると、
前記η１ｏは次式で求められる。

η　　＝　η　　＋（１．０−η　　）×η　　・　・
　φ（１）ＴＣ　　　　　ＴＦ　　　　　　　　　ＴＰ
　　　　　ＴＥ？だし（１．０−η■，）の値は冷却水
通路４の冷却水に棄て去られる潜熱の損失（排熱）割合
を示す。

その後、タービン排気通路３を通過した排気は凝縮して
、変換装置！底部に設けた復水タンク１′内に復水とし
て溜められ、再び給水に供される。

しかして、その熱交換器２に使用される半導体素子（熱
電変換材料）６は、第７図に示す如くタービン排気温度
ｔＱ付近をカバーする素子Ｂが選択されることとなる。

しかしながら、実際上のタービン排気温度ｔＱは１００
℃以下であって、このような低温度域においては高い熱
電変換性能を有する熱電変換材料があまり多くなく、ま
た仮に素子Ｂを選択できても、タービン排気温度はその
素子Ｂ自体の性能指数Ｚビンプラント（通常その排気温
度は５０℃以下）に本実施例の熱電変換装置ｌを併設し
ても総合タービンプラント効率改善の効果は極めて少な
い。

そこで、この対策として本実施例によれば、多少のター
ビンプラント効率η．，を犠牲にしてもタービン排気温
度をＴｌ２からＴ’＆（第２図ｂ′参照）に弓上げるよ
うに蒸気タービン５を設計することにより、総合タービ
ンプラント効率を増加させることができる。

即ち、ｔ′Ｃなる排気温度は排気圧を従来の値よりも上
げることにより得られる、ほぼ排気圧Ｐ，′に相当する
飽和温度である。そして、この排気温度ｔ′ｇのときの
タービンプラント効率をη′Ｔ，＝（ｉｅ　−　ｉ’Ｑ
）／　（ｉｅ　−　ｉｃ）Ｘ　１００％、また人熱に対
する電気出力の変換率をη’ＴＥとすると、まず前述の
如き理由から、Ｐｙ’　＞　Ｐｔ，　ｉ’ｅ＞ｉクの下
で、ηＴｃ〉　ηＴＰ≧η’ＴＰ・・・（２）（ただし
Ｔ＆　＝　　Ｔ’ｆｆノとき、”　ＴＰ＝　””ＴＰ）
となる。

このことより、η′．，は通常ηＴ，よりも下廻る高と
なる近傍においては、熱電変換率はηＴＥからη’ＴＥ
に値が上昇するため、 ηＴＣ一η’ＴＰ＋（１．０−η′ＴＰ）×η’ＴＥ・
・・（３）となることより、（３）式〉（１）式を満足
するタービン排気温度Ｔ′ｇの値を決定すれば良い。

発明の効果 以上詳述したように本発明によれば、次の如き効果を得
ることかできる。

（１）　　総合タービンプラント効率の改善を図ること
ができる。

（イ）従来、復水器に棄てられていたタービン廃？を高
温熱源とし、また冷却水を低温熱源とするので、半導体
熱電変換装置でタービン排気の保有潜熱の一部を直接電
気に変換することができるため、タービンプラント効率
が向上する。

１つの例としてタービンプラント効率ηＴＰ一４５％な
る蒸気タービンのタービン排熱（損失）は（１．０−η
■，　）４０．５５即ち５５％程度ある。

このプラントに復水器の代わりに該変換装置乙ても を設定＃ｔ唸、高温熱源温度（タービン排気温度）が約
４０℃と低く、また低温熱源温度（冷却水温度）約２０
℃との温度差も少ない。

このため、熱電変換効率η■６は低くなり、数％（例え
ば２％）程度である。

従って、総合タービンプラント効率は、（１）式より ηＴｃ＝　０．４５＋　（１．０−　０．４５）Ｘ　０
．０２＃　０．４６即ち４５〜４６％程度の向上が認め
られる。

（口）更に、熱電変換性能が熱源温度に依存することに
鑑み、殊にタービン排気温度ｔ′ｇが従来の温度ｔＩ２
よりも高温とし、使用される半導体素子の熱電変換性薯
普して最適となる飽和圧まで膨張させ得るタービン設計
とすることにより、熱電変換率η′．６自体を向上させ
、総合タービンプラント効率の一層の向上が図れる。

即ち、前記の例に従ってこれを説明すると、ｔ’ｃ　＞
ｔｃとすることにより半導体素子の熱電変換性能η’Ｔ
Ｅが大幅に改善し、前記２％等に対して約１０％程度を
達成することが可能である。

ここで、簡単のためにタービン排気が温度ｔ’ａ＝　ｉ
ｏｏ℃の飽和蒸気の場合、タービンプランド効率η′　
は前記のηＴＰに比べて自ず４；ｒＰ と低下し、約輯％程度となる。

その反面、総合タービンプラント効率は、（３）式より ηＴｃ＝　０．４１＋（１．０−０．４１）ｘｏ．１＝
０．４７即ち４７％となり、結果として、より大きな総
合タービンプラント効率の改善が可能となる。

（２）蒸気タービンプラントの所要設備の合理化が図れ
る。

（イ）復水器が復水ライン上から不要となり、この周辺
の設備を簡素化できる。

（口）温排水量が低減できるため、これに関するポンプ
等の動力源、エネルギの低減やスペースの有効利用が図
れる。

（ハ）館記（１）項目の（口）においては、タービン排
気圧が高いため、例えば１　ａｔａ以下の運転条件で設
置していた低圧段を不要とすることができる。よって蒸
気タービンを大幅にコンパクト化でき、かつタービンの
製作期間及びそのコストを低減することができる。

しかも、以上の如くタービンプラント効率ト全体の信頼
性、寿命が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蒸気タービン発電プラントの一例
を示す基本的なプラントシステム図、第２図はそのｉ−
ｓ線図、第３図は半導体熱電変換装置を示す概観及び一
部構造断面図、第４図は熱電変換装置内に配置する熱交
換器のタービン排気（高温熱源）に接触する外表面を示
す模式図、第５図はその冷却水（低温熱源）に接触する
外表面を示す模式図、第６図は第４及び５図の■−Ｖ線
断面図、第７図は各種熱電変換材料の一般的な性能指数
Ｚ熱源（タービン排気）温度Ｔの相関図、第８図は従来
の蒸気タービン発電プラントを示す基本的なプラントシ
ステム図、第９図はそのｉ−ｓ線図である。 ■・・半導体熱電変換装置、２・・熱交換器、３・・タ
ービン排気通路、４・・冷却水通路、５・・蒸気タービ
ン、６・・半導体素子、８・・タ（ほかｌ名） 第 図 １′ イｌｋタンク 第 図 第 Ｂ 図 エンＦロごＳ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 蒸気タービンの排気を高温熱源とし、冷却水を低温熱源
   とする半導体熱電変換装置をタービン排気ダクトに設置
   し、タービン排気の保有潜熱を電気に変換すると共に、
   タービン排気を凝縮して復水器を不要としたことを特徴
   とする蒸気タービン発電プラント。