JPH1026009A - 非共沸混合媒体サイクル発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低沸点媒体と高沸点媒体からなる非共沸混合
媒体を作動媒体とする非共沸混合媒体サイクル発電シス
テムにおいて、熱源温度と熱源量が規定された場合にお
いて、出力を向上し得るシステムを得ること。 【解決手段】 上記非共沸混合媒体の一部を蒸発させて
気液二相状態とする蒸発器１と、その気液二相状態の媒
体を気液分離する第１の気液分離器８と、その第１の気
液分離器で分離された気相媒体が供給されるタービン３
からの排ガスを復液させ上記蒸発器に還流させる第１及
び第２の復液器４ａ，４ｂと、第１の復液器４ａから流
出する作動媒体の一部を取出し、加熱し気液分離した
後、液相媒体を第１の復液器においてタービンからの排
気と接触混合させる吸収循環系１０とを有し、前記第１
の気液分離器で分離された液相媒体８を上記吸収循環系
の気液分離後の液相媒体に合流させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低沸点媒体と高沸
点媒体からなる非共沸混合媒体を作動媒体とする非共沸
混合媒体サイクル発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、比較的低温度の熱源を利用した発
電システムにおいては、低沸点媒体と高沸点媒体からな
る非共沸混合媒体を作動媒体して使用することが行われ
ている。

【０００３】すなわち、図３は、低沸点媒体成分として
アンモニア、高沸点媒体として水を使用し、温度１５０
℃以下の熱源を利用した非共沸混合媒体サイクル発電シ
ステムの系統図であって、上記アンモニアと水からなる
媒体は発生器１に供給され、そこで加熱され一部蒸発
し、分離器２でアンモニアが濃厚な気相とアンモニアが
希薄な液相に分離される。

【０００４】上記分離器２で分離された気相媒体はター
ビン３に導かれ、そこで仕事をした後、復液器４へ導入
される。

【０００５】一方、分離器２で分離された液相の媒体
は、再生器で熱を放出し、減圧器６で減圧された後、復
液器４に導かれる。上記復液器４では、タービン３で仕
事を行った後の媒体と減圧器６で減圧された媒体が接触
混合する。そして、混合後の媒体は、蒸発前の濃度に戻
り、復液器４で冷却され凝縮した後、媒体循環ポンプ７
により昇圧され再生器５に入り、そこで前記分離器２で
分離された液相媒体によって加温された後、蒸発器１に
還流される。

【０００６】また、図４は従来の非共沸混合媒体を利用
した発電システムの他の例を示す系統図であって、アン
モニアと水の混合媒体は蒸発器１で熱源との熱交換によ
って加熱され、一部蒸発し、第１の分離器８でアンモニ
アが濃厚な気相とアンモニアが希薄な液相に分離され
る。

【０００７】上記第１の分離器８で分離された気相媒体
は、タービン３に導入され、そこで仕事を行った後、第
１の復液器４ａで復液される。

【０００８】一方、液相媒体は、再生器５で熱を放出し
て減圧器６でタービン３の出口圧力と入口圧力の間の圧
力まで減圧された後、第２の復液器４ｂに導入される。
上記第２の復液器４ｂでは、第１の復液器４ａを通り吸
収循環系ポンプ９で昇圧された媒体の一部に上記減圧器
６で減圧された液相媒体が合流され、冷却源によって冷
却されて媒体循環ポンプ７によって昇圧され、再熱器５
で予熱された後、蒸発器１に還流される。

【０００９】また、前記吸収循環系ポンプ９の上流側及
び下流側には吸収循環系１０が接続されている。すなわ
ち、吸収循環系ポンプ９で前記圧力３まで加圧された媒
体が、第２の復液器４ｂ側と吸収循環系１０側とに分流
し、上記吸収循環系１０側に分流した媒体は、蒸発器１
で使用された後の熱源により第２の蒸発器１１で加熱さ
れ、その後、第２の分離器１２で気液分離される。

【００１０】そして、上記第２の分離器１２で気液分離
された後の気相媒体は第２の復液器４ｂに導かれ、吸収
循環系ポンプ９で送られる媒体と接触混合し、冷却源と
の熱交換により凝縮する。また第２の分離器１２で気液
分離された液相媒体は減圧器１３でタービンの出口圧力
まで減圧した後タービン排気と接触混合される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
システムにおいては、蒸発器での非共沸混合媒体の特徴
である非等温蒸発特性により熱源温度変化に沿ったロー
レンツサイクルに近い熱交換が可能であり、エクセルギ
ー効率の高いサイクルの実現が可能である。

【００１２】図５はアンモニア・水を媒体とした９８℃
の熱源時の従来方法サイクルのヒートバランスの一部を
示す図である。図５の復液器４におけるポイントＡで
は、混合後のアンモニア濃度が０．９（mol/mol ）とな
っているため８２８ｋＰａといった高い圧力での凝縮と
なっており、媒体性能を完全に発揮できていない等の問
題がある。

【００１３】また、復液器４での媒体混合時に、タービ
ン３の排気口部であるポイントＢでの媒体蒸気と分離器
２で分離された液媒体のポイントＣでの媒体吸収液が完
全に混合して一様な濃度の媒体凝縮液となるためには、
復液器４での冷却源との熱交換面に媒体蒸気よりアンモ
ニア濃度の低い吸収液が液膜となり、その液膜にアンモ
ニア濃度の高い蒸気が吸収されるように連続的に冷却源
との熱交換が行われなければならない。

【００１４】しかし、図５のヒートバランスでは、上記
ポイントＢのタービン排気蒸気の流量２０．５Ｋｇ／ｓ
ｅｃに対して、ポイントＣでの吸収液の流量は５．０Ｋ
ｇ／ｓｅｃであり、吸収液の流量が排気蒸気量に比し相
対的に低いため、冷却源との伝熱面にアンモニア濃度の
低い吸収液膜の形成が困難となり、熱交換器である復液
器での十分な混合及び液化が行われない恐れがある。そ
して、復液器での完全凝縮が行われない場合には、濃い
アンモニア蒸気が復液器内に残り、タービン排気圧力が
上がってしまい図５に示すヒートバランスの実現が難し
く、タービン出力が大幅に低下してしまうことがある。

【００１５】また、図４に示すシステムで、図３のもの
と同じ熱源温度９８℃と熱源流量１０００ｔ／ｈのヒー
トバランスによると、図６に示すように、図３に示すサ
イクルに比べ、吸収循環系とタービン排気の接触混合に
よるアンモニア濃度低下により、ポイントＢでのタービ
ン排気圧力が８０８ｋＰａまで下がり、タービン仕事量
が３０４４ＫＷとなり５０ＫＷ程度増加する。また、第
１の復液器４ａに流入するポイントＤでの吸収液流量が
タービン排気流量と同等以上にあるため、前述の冷却源
との伝熱面にアンモニア濃度の低い吸収液膜の形成が容
易となり、復液器でのタービン排気の完全凝縮が行われ
やすくなる。

【００１６】しかし、吸収循環系でつくられる濃度が
０．８４とタービン排気との濃度差が少ないためアンモ
ニアのマスバランス上、吸収液流量がタービン排気流量
に対して３倍以上となっており、第２の熱交換器１１で
の入熱量が２３７７４ＫＷと多くなってしまい、設備コ
ストを増加する要因となる等の問題がある。

【００１７】本発明はこのような点に鑑み、熱源温度と
熱源量が規定された場合、従来のシステムに比し出力を
向上し得るシステムを得ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】低沸点媒体と高沸点媒体
からなる非共沸混合媒体を作動媒体とする非共沸混合媒
体サイクル発電システムにおいて、比較的低温度の熱源
との熱交換により上記非共沸混合媒体の一部を蒸発させ
て気液二相状態とする蒸発器と、その気液二相状態の媒
体を気液分離する第１の気液分離器と、その第１の気液
分離器で分離された気相媒体が供給されるタービンと、
そのタービンからの排ガスを復液させ上記蒸発器に還流
させる第１及び第２の復液器と、第１の復液器から流出
する作動媒体の一部を取出し、加熱し気液分離した後、
液相媒体を第１の復液器においてタービンからの排気と
接触混合させる吸収循環系とを有し、前記第１の気液分
離器で分離された液相媒体を上記吸収循環系の気液分離
後の液相媒体に合流させるようにしたことを特徴とす
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照して本発明の実
施の形態について説明する。なお、図中図４と同一部分
には同一符号を付る。

【００２０】アンモニアと水の混合媒体は、蒸発器１で
地熱、太陽熱温水、或はプラント排熱等の１５０℃以下
程度の比較的低温の熱源との熱交換によって加熱されて
一部蒸発し、第１の分離器８でアンモニアが濃厚な気相
とアンモニアが希薄な液相に分離される。そして、上記
第１の分離器８で分離された気相媒体はタービン３に導
入され、そこで仕事を行った後、第１の復液器４ａ及び
第２の復液器４ｂで復液された後、媒体循環ポンプ７に
よって昇圧され再生器５を経て蒸発器１に還流される。

【００２１】上記第１の復液器４ａと第２の復液器４ｂ
との間には吸収循環ポンプ９が設けられており、その吸
収循環ポンプ９の下流側と上記第１の復液器４ａの作動
媒体流通管との間は吸収循環系１０によって接続されて
いる。上記吸収循環系１０には、前記、蒸発器１で使用
された後の熱源が供給される第２の蒸発器１１、第２の
分離器１２及び減圧器１３が順次設けられている。

【００２２】一方、第１の分離器８の液相部は、導管１
４によって再生器５及び減圧器６を介して前記吸収循環
系１０の減圧器１３の下流側に接続されており、また第
２の分離器１２の気相部は導管１５を介して第２の復液
器４ｂの作動媒体流通管に接続されている。

【００２３】しかして、タービン３で仕事を行った排ガ
スは、第１の復液器４ａで復液され吸収循環系ポンプ９
で昇圧された後、第２の復液器４ｂでさらに復液され、
媒体循環ポンプ７によって蒸発器１側に還流される。

【００２４】また、上記吸収循環系ポンプ９で昇圧され
た作動媒体の一部は吸収循環系１０に分流され、第２の
蒸発器１１において蒸発器１で使用された後の熱源と熱
交換して加熱され第２の分離器１２に導入され、そこで
気液分離される。そして、上記第２の分離器１２で分離
された液相媒体は減圧器１３を経て第１の復液器４ａに
おいてタービン排気と接触混合される。

【００２５】また、第２の分離器１２で分離された気相
媒体は第２の復液器４ｂで作動媒体に混合される。

【００２６】ところで、第１の分離器８で気液分離され
た液相媒体は再生器５で蒸発器１に流入する作動媒体と
熱交換した後、減圧器６で減圧され、前記吸収循環系１
０の減圧器１３の下流側において第２の分離器１２で分
離された液相媒体と合流され、第１の復液器４ａに導入
される。

【００２７】図２は、図１に示すシステムにおいて図４
に示すシステムと同じ熱源温度９８℃と熱源流量１００
０ｔ／ｈのときのヒートバランス例を示す図であり、図
４に示すサイクルと同様に、吸収循環系の媒体とタービ
ン排気の接触混合によるアンモニア濃度低下により、タ
ービン出口部のポイントＢでのタービン排気圧力が８２
８ｋＰａから８０８ｋＰａまで下がり、タービン仕事量
が５０ＫＷ程度増加する。

【００２８】また、第１の復液器４ａで混合される液相
媒体の量がタービン排気量と同等となるため、第１の復
液器４ａにおける伝熱面にアンモニア濃度の低い吸気液
膜の形成が容易となり復液器でのタービン排気の完全凝
縮が行われやすくなる。しかも、吸収循環系で作られる
液相媒体のアンモニア濃度が０．７７７とタービン排気
との濃度差が従来のシステムよりも大きくなるため、ア
ンモニアのマスバランス上、吸収液流量がタービン排気
流量に対してほぼ同等となり、第２の蒸気器１１での熱
源からの投入熱量も６７８６ＫＷとなり従来のシステム
に比して低減することができ、設備コストの増加も最小
限に押さえることができる。

【００２９】また、第２の分離器１２を含む吸収循環系
の液系に、液膜界面を界面撹乱により物質拡散を容易に
するような添加剤、例えば水・リチウムブロマイド混合
媒体のときにはｎ−オクタノール等を注入し循環させる
ことにより、タービン排気との接触混合を容易にするこ
とができ、サイクルの効率を向上させることができる。

【００３０】さらに、蒸発器１、第１の分離器８、再生
器５等を含む液相媒体の循環系には、沸点上昇効果のあ
る媒体、例えば塩類を投入して媒体蒸発時の圧力を高く
してタービンでの仕事量を増加させるようにし、沸点上
昇効果のある媒体は蒸発を行わない領域での使用を行う
ようにすることによって出力をさらに向上させることが
できる。

【００３１】また、上記実施の形態においては媒体が水
とアンモニアの２成分からなるものを示したが、水、ア
ンモニア、リチウムブロマイド等の３成分から構成して
もよく、アンモニアと水の混合媒体の場合には９０℃〜
２００℃程度の熱源で０．７〜０．９５mol/mol のアン
モニア濃度が好ましい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は第１の気
液分離器で分離された液相媒体を吸収循環系の気液分離
後の液相媒体に合流させ、それをタービン排気と接触混
合させるようにしたので、タービン排気圧力を下げター
ビン仕事量を増加できるばかりでなく、復液器における
冷却源との伝熱面にアンモニア濃度の低い吸収液膜の形
成が容易となり、タービン排気の完全凝縮を行わせるこ
とができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非共沸混合媒体サイクル発電システム
の一例を示す系統図。

【図２】図１に示すシステムのヒートバランス例を示す
図。

【図３】従来の非共沸混合媒体サイクル発電システムの
一例を示す系統図。

【図４】従来の非共沸混合媒体サイクル発電システムの
他の例を示す系統図。

【図５】図３に示すシステムのヒートバランス例を示す
図。

【図６】図４に示すシステムのヒートバランス例を示す
図。

【符号の説明】

１ 蒸発器 ２ 分離器 ３ タービン ４ 復液器 ４ａ 第１の復液器 ４ｂ 第２の復液器 ５ 再生器 ７ 媒体循環ポンプ ８ 第１の分離器 ９ 吸収循環系ポンプ １０ 吸収循環系 １１ 第２の蒸発器 １２ 第２の分離器 １３ 減圧器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低沸点媒体と高沸点媒体からなる非共沸混
   合媒体を作動媒体とする非共沸混合媒体サイクル発電シ
   ステムにおいて、比較的低温度の熱源との熱交換により
   上記非共沸混合媒体の一部を蒸発させて気液二相状態と
   する蒸発器と、その気液二相状態の媒体を気液分離する
   第１の気液分離器と、その第１の気液分離器で分離され
   た気相媒体が供給されるタービンと、そのタービンから
   の排ガスを復液させ上記蒸発器に還流させる第１及び第
   ２の復液器と、第１の復液器から流出する作動媒体の一
   部を取出し、加熱し気液分離した後、液相媒体を第１の
   復液器においてタービンからの排気と接触混合させる吸
   収循環系とを有し、前記第１の気液分離器で分離された
   液相媒体を上記吸収循環系の気液分離後の液相媒体に合
   流させるようにしたことを特徴とする、非共沸混合媒体
   サイクル発電システム。
2. 【請求項２】吸収循環系において分離された気相媒体は
   第２の復液器において作動媒体に接触混合されることを
   特徴とする、請求項１記載の非共沸混合媒体サイクル発
   電システム。
3. 【請求項３】比較的低温の熱源は１５０℃以下の熱源で
   あることを特徴とする、請求項１または２記載の非共沸
   混合媒体サイクル発電システム。
4. 【請求項４】熱源は、地熱、太陽熱温水、或はプラント
   排熱であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれ
   かに記載の非共沸混合媒体サイクル発電システム。
5. 【請求項５】吸収循環系の作動媒体中には、低沸点媒体
   が希薄な溶液とタービン排気とを一様に混合させる添加
   剤が添加されていることを特徴とする、請求項１乃至４
   のいずれかに記載の非共沸混合媒体サイクル発電システ
   ム。
6. 【請求項６】蒸発器入口の作動媒体には、媒体蒸発時に
   高温としてエクセルギー効率を高めタービンでの仕事量
   を増加させるため、沸点上昇効果を有する媒体が投入さ
   れることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記
   載の非共沸混合媒体サイクル発電システム。
7. 【請求項７】作動媒体がアンモニア・水混合媒体で、９
   ０℃〜２００℃程度の熱源を使用する場合には、０．７
   〜０．９５mol/mol のアンモニア濃度の濃度比とするこ
   とを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の非
   共沸混合媒体サイクル発電システム。