発電システム

本発明の実施形態は、発電システムに関する。

製鉄所の高炉などから排出されるスラグは、冷却した後にクラッシャーにより砕かれ、コンクリートやアスファルトの混合部材として利用されている。スラグの冷却方法としては、例えば水をスラグに噴霧して強制的に冷却する方法などが用いられている。スラグを冷却する際、大量の蒸気が間欠的に発生するが、従来この蒸気が熱利用されることはなく、そのまま大気へ放出されてエネルギーロスが発生していた。

特開2010−71091

このように、従来、間欠的に発生する大量の蒸気が有効利用されず、エネルギーロスが発生するという問題があった。本発明の実施形態は、かかる問題を解決するためになされたもので、時系列的に供給が不安定な蒸気発生源を用いて効率よく電気エネルギーを得ることのできる発電システムを提供することを目的としている。

実施形態の発電システムは、供給された第1の熱媒体を第1の流路および第2の流路に分流する分流部と、前記第2の流路を介して送られた前記第1の熱媒体を蓄えるとともに、時間的に平準化した流量で送出する蓄熱部とを有している。また、実施形態の発電システムは、前記第1の流路を介して送られた前記第1の熱媒体および前記蓄熱部から送出された前記第1の熱媒体から、前記第1の熱媒体よりも沸点の低い第2の熱媒体へ熱伝達する熱交換部と、前記熱交換部により熱伝達された前記第2の熱媒体により回転運動するタービンとを有している。

第1の実施形態に係る発電システムの機能構成を示す図である。

第1の実施形態に係る発電システムにおける蒸気供給源を説明する図である。

第2の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第3の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第4の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第5の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第6の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第7の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第8の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第9の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第10の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

第11の実施形態に係る発電システムの構成を示す図である。

実施形態の発電システムでは、例えば、高炉から出た排熱蒸気を蒸気発生源としている。この場合、蒸気発生源の蒸気を直接利用すると、排熱蒸気に混入する固形物、粉塵や汚れが発電システム全体に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、実施形態の発電システムでは、熱交換器を用いて排熱蒸気を低沸点媒体に熱回収し、これにより熱エネルギーを得た低沸点媒体を用いて発電用蒸気タービンを駆動する。かかるシステムでは、工場や高炉から発生する比較的低温度(例えば200℃程度以下)の排エネルギーを有効利用することも可能となる。すなわち、排エネルギーとしての蒸気(第1の熱媒体)と、低沸点媒体(第1の熱媒体よりも沸点の低い第2の熱媒体)とを利用したバイナリ発電システムを実現する。

(第1の実施形態の構成) 以下、図面を参照して第1の実施形態の発電システムについて詳細に説明する。図1に示すように、この実施形態の発電システム1は、蒸気供給源10から与えられた蒸気の供給量(エネルギー量)を時間的に平準化する第1の系(図中「I」)と、第1の系から受け取ったエネルギーにより仕事をする第2の系(同「II」)とを有している。

第1の系は、蒸気供給源10、蒸気分割部11、蓄熱部12、第1熱交換部13、第2熱交換部14および排水貯留部15を含んでいる。蒸気供給源10は、第1の系の熱媒体を生成して第1の系に供給する。第1の系の熱媒体(第1の熱媒体)は、例えば工場や高炉から発生する蒸気(水蒸気)を用いることができる。蒸気供給源10により供給される蒸気の供給量は、必ずしも安定している必要はなく、時間的な供給量が不安定な蒸気発生源を用いることができる。蒸気供給源10は、生成した蒸気を蒸気分割部11へ送る。

蒸気分割部11は、蒸気供給源10から供給された蒸気を複数の経路に分割する。図1に示す例では、蒸気分割部11は、蒸気供給源10からの蒸気を二つの経路に分割し、それぞれ蓄熱部12および第1熱交換部13へ送る。また、蒸気分割部11は、蒸気供給源10からの蒸気の供給量を検出する機構と、分割したそれぞれの経路を開閉する弁機構とを備えている。具体的には、蒸気分割部11は、蒸気供給源10からの蒸気の供給量が所定の値を超えた場合に両方の経路を開放し、蒸気供給源10からの蒸気の供給量が所定の値以下となった場合に蓄熱部12への経路を閉じる。すなわち、蒸気供給源10からの蒸気の供給量が基準を超える場合に、越えた分の蒸気を蓄熱部12へ送る作用をする。

蓄熱部12は、蒸気分割部11からの蒸気を受け、例えば蒸気アキュムレータのように熱エネルギーを蓄える機能を有する。蓄熱部12は、蒸気分割部11から与えられた蒸気を蓄えることで、蒸気の供給量を時間的に平準化する作用をする。蓄熱部12に蓄えられた蒸気は、第2熱交換部14に送られる。

第1熱交換部13は、蒸気分割部11からの蒸気を受けて第2の系の媒体との間で熱交換する。第2熱交換部14は、蓄熱部12からの蒸気を受けて第2の系の媒体との間で熱交換する。すなわち、第1の系の熱エネルギーは、蒸気供給源10からの蒸気により熱交換する第1熱交換部13と、蓄熱部12により時間的に平準化された蒸気により熱交換する第2熱交換部14とにより第2の系に移動する。

排水貯留部15は、第1熱交換部13および第2熱交換部14において熱交換した蒸気を回収する。排水貯留部15により回収された蒸気(水)は、蒸気供給源10において蒸気を発生させるための冷却水として再利用してもよいし、他の系において利用してもよい。

第2の系は、第1熱交換部13、第2熱交換部14、タービン部16、第3熱交換部17、発電部18および冷却水系19を含んでいる。第2の系は、第1の系で用いる蒸気よりも沸点の低い媒体(以下「低沸点媒体」「第2の熱媒体」という。)を循環させており、第1熱交換部13および第2熱交換部14は、第1の系から熱エネルギーを第2の系へ移転する。これにより、第1熱交換部13および第2熱交換部14は、第2の系の低沸点媒体の蒸気を生成する。第2の系の低沸点媒体は、例えば、HFC等の代替フロンや、ブタン等の炭化水素系の物質を用いることができる。

タービン部16は、第1の系から熱エネルギーを受けた低沸点媒体のエネルギーを回転運動エネルギーに変換する。すなわち、第1熱交換部13および第2熱交換部14により生成された低沸点媒体の蒸気によりタービン軸の回転運動が生み出される。発電部18は、タービン部16の回転軸と接続されており、当該回転軸の回転運動により発電する。

第3熱交換部17は、タービン部16において仕事をした低沸点媒体を冷却して第1熱交換部13および第2熱交換部14へ当該低沸点媒体を戻す作用をする。冷却水系19は、第3熱交換部17が低沸点媒体から熱エネルギーを回収するための冷却水を循環するシステムである。

(第1の実施形態の動作) 図1および図2を参照して、実施形態の発電システムの動作を説明する。蒸気供給源10は、第1の系に蒸気を供給するが、図2の実線にて示すように、時間的に蒸気の供給量が一定しない特徴を持っている。

図2に示すような流量の蒸気を受けると、蒸気分割部11は、例えば、受けた蒸気の流量が時間当たりの平均流量(図中「Ave」)を越える場合に、当該受けた蒸気を第1熱交換部13および蓄熱部12の両方に供給し、受けた蒸気の流量が同じく時間当たりの平均流量を下回った場合に、当該受けた蒸気を第1熱交換部13にのみ供給する。

第1熱交換部13は、受けた蒸気から第2の系の低沸点媒体へ熱伝達して熱エネルギーを第2の系に移転させる。一方、蓄熱部12は、蒸気分割部11から間欠的に送られる蒸気を受け取って熱水として蓄え、減圧された蒸気を第2熱交換部14に与える。すなわち、蓄熱部12は、間欠的な蒸気の供給を時間的に平準化して第2熱交換部14に渡す。第2熱交換部14は、蓄熱部12から受け取った蒸気から第2の系の低沸点媒体へ熱伝達して熱エネルギーを第2の系に移転させる。第1熱交換部13および第2熱交換部14は、熱交換した後の蒸気を排水貯留部15へ送る。

このとき、第2熱交換部14が熱交換する第1の系の蒸気は、蒸気分割部11において平均流量を超えた蒸気が蓄熱部12により時間的に平準化されたものであるから、図2の斜線部にて示すように、平均流量を超過した蒸気の熱エネルギーが遅延されて第2の系に移転されることになる。その結果、第2の系は、時間的に平準化された熱エネルギーを受け取ることができる。

第1熱交換部13および第2熱交換部14は、第2の系の低沸点媒体を蒸気へ変換してタービン部16に送る。タービン部16は、受け取った低沸点媒体の蒸気により仕事をし、それを受けて発電部18は電力を発生する。タービン部16で仕事をした低沸点媒体の蒸気は、第3熱交換部17へ送られて冷却され、第1熱交換部13および第2熱交換部14へ戻される。冷却水系19は、冷却水を第3熱交換部17へ送って第2の系の低沸点媒体を冷却させる。

このように、この実施形態の発電システムによれば、与えられた蒸気を直接熱変換する経路と蓄熱部により時間的に供給量を平準化する経路とに分割する。また、この実施形態の発電システムによれば、蓄熱部を備えるので、与えられた蒸気の余剰分(または所定のレベルを超過する流量分)を平準化する。従って、時間的に不安定な蒸気供給源であっても、安定的な熱変換およびそれによる発電を実現することができる。

(第2の実施形態の構成) 続いて、図3を参照して、第2の実施形態の発電システムの構成を説明する。この実施形態の発電システムは、第1の実施形態の発電システムをより具体化したものである。以下の説明において、第1の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

この実施形態の発電システム102では、蒸気分割部11は、蒸気供給源10から受けた蒸気の流量を検出する検出部111と、分割した蒸気それぞれの流量を制御する圧力調整弁112,113とを有している。また、蓄熱部12は、流入する蒸気の流量を制御する蒸気アキュムレータ調節弁121と、受け取った蒸気を蓄える蒸気アキュムレータ122と、送り出す蒸気の流量を制御する蒸気アキュムレータ調節弁123とを有している。

第1熱交換部13は、蒸気分割部11の圧力調節弁112から蒸気を受ける主蒸発器131と、主蒸発器131において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁132とを有している。同様に、第2熱交換部14は、蓄熱部12の蒸気アキュムレータ調節弁123から蒸気を受ける予熱器141と、予熱器141において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁142とを有している。なお、予熱器141および主蒸発器131は、第2の系の低沸点媒体が、まず予熱器141により予熱され、次いで主蒸発器131により蒸気へ変換されるよう、直列に接続されている。第1熱交換部13および第2熱交換部14の逆流防止弁132および142の出力は、ともに排水貯留部15へと導かれている。

タービン部16は、与えられた蒸気の流量を調節する蒸気加減弁161と、蒸気加減弁161から低沸点媒体の蒸気を受け仕事をする媒体タービン162とを有している。媒体タービン162は、発電部18としての媒体タービン発電機181と同軸的に接続されており、媒体タービン162が回転することにより媒体タービン発電機181が発電する。

第3熱交換部17は、媒体タービン162から排出された低沸点媒体の蒸気を受けて凝縮する凝縮器171と、凝縮器171により液化した低沸点媒体を予熱器141へと送る媒体ポンプ172とを有している。冷却水系19は、凝縮器171が低沸点媒体から熱を回収した媒体(蒸気)を冷却する冷却塔191と、冷却塔191から出力される冷却水を再び凝縮器171へと送る冷却水ポンプ192とを有している。

(第2の実施形態の動作) 蒸気供給源10から流量が時間的に不安定な蒸気を受けると、蒸気分割部11の検出部111は、蒸気の流量を検出して圧力調整弁113を制御し、蓄熱部12への蒸気流量を調節する。例えば、検出部111は、蒸気供給源10から受けた蒸気が平均流量を超えた場合、圧力調整弁113を制御して蒸気を蓄熱部12へ送り、平均流量を下回った場合、圧力調整弁113を制御して蓄熱部12への蒸気を止める。この結果、主蒸発器131は、常に平均流量以下の蒸気を受けることになる。

蒸気アキュムレータ122は、蒸気アキュムレータ調節弁121を介して蒸気分割部11からの蒸気を受けると、当該蒸気を熱水として蓄え、減圧された蒸気を蒸気アキュムレータ調節弁123を介して予熱器141へ送る。この結果、予熱器141は、蒸気供給源10から受けた蒸気よりも減圧され時間的に平準化された蒸気を受けることになる。

この実施形態では、蒸気アキュムレータ122から出力される蒸気が、蒸気供給源10から与えられる蒸気よりも減圧されているから、主蒸発器131が第2の系へ与える熱エネルギーよりも予熱器141が第2の系へ与える熱エネルギーの方が低くなる。そこで、予熱器141は、主蒸発器131よりも第2の系における上流側に配設される。すなわち、予熱器141は、凝縮器171により冷却された低沸点媒体を、蒸気アキュムレータ122から出力された蒸気を用いて予熱し、主蒸発器131へ送る。主蒸発器131は、予熱器141により予熱された低沸点媒体を、蒸気供給源10から受けた蒸気により蒸発させて媒体タービン162へ送る。

媒体タービン162は、蒸気加減弁161を介して低沸点媒体の蒸気を受けて回転運動を発生させ、媒体タービン162に接続された媒体タービン発電機181は発電を行う。媒体タービン162から排出された低沸点媒体の蒸気は、凝縮器171により冷却され、媒体ポンプ172により予熱器141へ戻される。凝縮器171は、低沸点媒体から熱エネルギーを回収した冷却水を冷却塔191へ送り、冷却水ポンプ192は、冷却塔191により冷却された冷却水を凝縮器171へ戻す。

この実施形態の発電システムでは、検出部111および圧力調整弁113を備えたので、間欠的な蒸気発生パターンに対応して平均流量以上の余剰分蒸気を蒸気アキュムレータ122へ送っている。そして、蒸気アキュムレータ122は、主蒸発器131における蒸気不足分を、予熱器141を介して補う作用をする。従って、蒸気供給源10から送られる蒸気が安定したものではなく間欠的なものであっても、安定した電気出力を得ることができる。

(第3の実施形態) 続いて、図4を参照して、第3の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム103は、第2の実施形態の発電システムにおける第3熱交換部17の構成を変更したものである。以下の説明において、第2の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。図4に示すように、この実施形態の発電システムにおける第3熱交換部37は、凝縮器171および媒体ポンプ172に加えて、再生器173を有している。

再生器173は、媒体タービン162において仕事をした低沸点媒体を受けて、媒体ポンプ172により送られる低沸点媒体に熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーを得た低沸点媒体は凝縮器171にて冷却され、媒体ポンプ172により再生器173に戻される。この実施形態の第3熱交換部37は、第2の系において仕事をした低沸点媒体の冷却効率を高めることができるので、発電効率を向上することができる。

(第4の実施形態) 続いて、図5を参照して、第4の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム204は、第2の実施形態の発電システムにおける第1熱交換部13および第2熱交換部14の構成を変更したものである。以下の説明において、第2の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図5に示すように、この実施形態の発電システム204では、第1熱交換部43は、蒸気分割部11の圧力調節弁112から蒸気を受ける主蒸発器431と、主蒸発器431において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁132とを有している。同様に、第2熱交換部44は、蓄熱部12の蒸気アキュムレータ調節弁123を介して蒸気を受ける二次蒸発器441と、二次蒸発器441において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁142とを有している。第1熱交換部43および第2熱交換部44の逆流防止弁132および142の出力は、ともに排水貯留部15へと導かれている。

この実施形態の発電システム204では、媒体ポンプ172から送り出される第2の系の低沸点媒体が、第1熱交換部43の主蒸発器431に送られるとともに第2熱交換部44の二次蒸発器441にも送られる。そして、主蒸発器431および二次蒸発器441が熱交換により生成した低沸点媒体の蒸気が、それぞれタービン部16の蒸気加減弁161を介して媒体タービン162に送られるよう構成されている。すなわち、第1熱交換部43および第2熱交換部44は、第2の系に対して並列に接続されており、それぞれが独立して第2の系の低沸点媒体の蒸気を生成する。

この実施形態は、蒸気アキュムレータ122から出力される蒸気の圧力(熱エネルギー)と、蒸気供給源10から与えられる蒸気の圧力(熱エネルギー)の差が比較的小さい場合に好適である。すなわち、蒸気供給源10からの蒸気の流量が元々大きく、アキュムレータ122による減圧の影響が小さい場合、主蒸発器431および二次蒸発器441それぞれが熱交換することのできる容量が同等となる。かかる場合、第2の実施形態のように第2の系の低沸点媒体を、予熱器141および主蒸発器131の二段階構成により加熱する必要はない。この実施形態の発電システム204は、かかる場合に、主蒸発器431および二次蒸発器441それぞれが直接タービン部16へ蒸気を送り込むことができる。

この実施形態の発電システムにおいても、蒸気供給源10から発生する蒸気が安定したものではなく間欠的なものであっても、安定した電気出力を得ることができる。特に、蒸気供給源10からの蒸気の流量が大きく蒸気アキュムレータ122からの出力を大きく取れる場合に有効である。

(第5の実施形態) 続いて、図6を参照して、第5の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム205は、第4の実施形態の発電システムにおける第3熱交換部17の構成を変更したものである。以下の説明において、第4の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。図6に示すように、この実施形態の発電システムにおける第3熱交換部37は、凝縮器171および媒体ポンプ172に加えて、再生器173を有している。

再生器173は、媒体タービン162において仕事をした低沸点媒体を受けて、媒体ポンプ172により送られる低沸点媒体に熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーを得た低沸点媒体は凝縮器171にて冷却され、媒体ポンプ172により再生器173に戻される。この実施形態の第3熱交換部37は、第2の系において仕事をした低沸点媒体の冷却効率を高めることができるので、発電効率を向上することができる。

(第6の実施形態) 続いて、図7を参照して、第6の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム306は、第4の実施形態の発電システムにおけるタービン部16の構成を変更したものである。以下の説明において、第4の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図7に示すように、この実施形態の発電システムにおけるタービン部66は、主蒸発器431からの蒸気の流量を調節する蒸気加減弁661と、蒸気加減弁661から低沸点媒体の蒸気を受け仕事をする媒体タービン662とを有している。媒体タービン662は、発電部18としての媒体タービン発電機181と同軸的に接続されており、媒体タービン662が回転することにより媒体タービン発電機181が発電する。媒体タービン662は、蒸気加減弁661の出力が接続された高圧蒸気入口部662aに加えて、蒸気加減弁661を介して受ける蒸気よりも圧力が低い中圧蒸気入口部662bを備えている。

この実施形態の発電システム306では、媒体ポンプ172から送り出される第2の系の低沸点媒体が、第1熱交換部43の主蒸発器431に送られるとともに第2熱交換部44の二次蒸発器441にも送られる。そして、主蒸発器431および二次蒸発器441が熱交換により生成した低沸点媒体の蒸気が、それぞれ媒体タービン662の高圧蒸気入口部662aおよび中圧蒸気入口部662bに送られるよう構成されている。すなわち、第1熱交換部43の主蒸発器431および第2熱交換部44の二次蒸発器441は、第2の系に対して並列に接続されており、それぞれが独立して第2の系の低沸点媒体の蒸気を生成する。そして、主蒸発器431および二次蒸発器441は、生成した低沸点媒体の蒸気をそれぞれ混圧タービンとしての媒体タービン662の高圧蒸気入口部662aおよび中圧蒸気入口部662bに送る。

この実施形態では、蒸気アキュムレータ122から出力される蒸気の圧力と、蒸気供給源10から与えられる蒸気の圧力の差が比較的大きい場合に好適である。すなわち、二次蒸発器441が生成する第2の系の低沸点媒体の圧力が、主蒸発器431が生成する第2の系の低沸点媒体の圧力よりも低い場合、主蒸発器431および二次蒸発器441それぞれが生成する蒸気を媒体タービン662の同一点に導入することができない。そこで、主蒸発器431が生成する低沸点媒体蒸気よりも圧力が低い二次蒸発器441が生成する蒸気を、媒体タービン662の中圧蒸気入口部662bに導入する。

この実施形態の発電システム306は、主蒸発器431および二次蒸発器441それぞれが媒体タービン662の適切な圧力の部分へ蒸気を導入することができる。この実施形態の発電システムにおいても、蒸気供給源10から発生する蒸気が安定したものではなく間欠的であっても、安定した電気出力を得ることができる。

(第7の実施形態) 続いて、図8を参照して、第7の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム307は、第6の実施形態の発電システムにおける第3熱交換部17の構成を変更したものである。以下の説明において、第6の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。図8に示すように、この実施形態の発電システムにおける第3熱交換部37は、凝縮器171および媒体ポンプ172に加えて、再生器173を有している。

再生器173は、媒体タービン662において仕事をした低沸点媒体を受けて、媒体ポンプ172により送られる低沸点媒体に熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーを得た低沸点媒体は凝縮器171にて冷却され、媒体ポンプ172により再生器173に戻される。この実施形態の第3熱交換部37は、第2の系において仕事をした低沸点媒体の冷却効率を高めることができるので、発電効率を向上することができる。

(第8の実施形態) 続いて、図9を参照して、第8の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム408は、第2の実施形態の発電システム102の第1の系に背圧蒸気タービン115を配設したものである。以下の説明において、第2の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図9に示すように、この実施形態の発電システム408は、圧力調整弁112を介して送られる蒸気供給源10からの蒸気および調整弁124を介して送られる蒸気アキュムレータ122の出力からの蒸気を受ける背圧蒸気タービン115と、背圧蒸気タービン115の回転運動により発電する発電機116と、背圧蒸気タービン115において仕事をした蒸気の排出流量を調整する圧力調整弁117とを有している。圧力調整弁112と背圧蒸気タービン115の入力との間には、圧力調整弁112から送られる蒸気の流量を検出する第2検出部114が配設されており、検出結果に応じて調整弁124を通過する蒸気の流量を制御可能に構成されている。

第2検出部114は、圧力調整弁112からの蒸気の流量が、背圧蒸気タービン115を回転させるに足る流量以下であることを検出すると、調整弁124を開いて蒸気アキュムレータ122からの蒸気を背圧蒸気タービン115の入力に導く。すなわち、第2検出部114は、調整弁124を制御して背圧蒸気タービン115の回転を維持する作用をする。

第1熱交換部83は、圧力調整弁117を介して背圧蒸気タービン115から送られた蒸気を受けて第2の系へ熱エネルギーを移転する主蒸発器831と、主蒸発器831において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁132とを有している。同様に、第2熱交換部84は、蓄熱部12の蒸気アキュムレータ調節弁123から蒸気を受ける予熱器841と、予熱器841において熱伝達した蒸気を排出するとともに蒸気の逆流を防止する逆流防止弁142とを有している。なお、予熱器841および主蒸発器831は、第2の系の低沸点媒体が、まず予熱器841により予熱され、次いで主蒸発器831により蒸気へ変換されるよう、直列に接続されている。第1熱交換部83および第2熱交換部84の逆流防止弁132および142の出力は、ともに排水貯留部15へと導かれている。

蒸気供給源10から流量が時間的に不安定な蒸気を受けると、蒸気分割部11の検出部111は、蒸気の流量を検出して圧力調整弁113を制御し、蓄熱部12への蒸気流量を調節する。蓄熱部12の蒸気アキュムレータ122は、蒸気アキュムレータ調節弁121を介して蒸気を受けると、当該蒸気を蓄えて減圧する。これにより、蒸気アキュムレータ122は、蒸気供給源10から受けた蒸気を時間的に平準化する作用をする。

この実施形態では、蒸気アキュムレータ122から出力される蒸気の圧力と、蒸気供給源10から与えられる蒸気の圧力の差が生じている。そこで、蒸気供給源10からの蒸気を背圧蒸気タービン115に供給して仕事をさせる。その結果、調整弁117を経て主蒸発器831に供給される蒸気の圧力と、蒸気アキュムレータ調節弁123を経て予熱器841に供給される蒸気の圧力とを近づけることが可能になる。これは、第1の系から第2の系への熱エネルギー伝達を効率化することに寄与する。

この実施形態の発電システムによれば、背圧蒸気タービン115を用いて蒸気供給源10からの蒸気圧と蒸気アキュムレータ122からの蒸気圧とを近づけるので、発電システム全体の効率を高めることができる。

(第9の実施形態) 続いて、図10を参照して、第9の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム409は、第8の実施形態の発電システムにおける第3熱交換部17の構成を変更したものである。以下の説明において、第8の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。図10に示すように、この実施形態の発電システムにおける第3熱交換部37は、凝縮器171および媒体ポンプ172に加えて、再生器173を有している。

再生器173は、媒体タービン162において仕事をした低沸点媒体を受けて、媒体ポンプ172により送られる低沸点媒体に熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーを得た低沸点媒体は凝縮器171にて冷却され、媒体ポンプ172により再生器173に戻される。この実施形態の第3熱交換部37は、第2の系において仕事をした低沸点媒体の冷却の効率を高めることができるので、発電効率を向上することができる。

(第10の実施形態の構成) 続いて、図11を参照して、第10の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム510は、第8の実施形態の発電システムにおける主蒸発器および予熱器の構成を変更したものである。以下の説明において、第8の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図11に示すように、この実施形態の発電システム510は、圧力調整弁112を介して送られる蒸気供給源10からの蒸気および調整弁124を介して送られる蒸気アキュムレータ122の出力からの蒸気を受ける背圧蒸気タービン115と、背圧蒸気タービン115の回転運動により発電する発電機116と、背圧蒸気タービン115において仕事をした蒸気の排出流量を調整する圧力調整弁117とを有している。圧力調整弁112と背圧蒸気タービン115の入力との間には、圧力調整弁112から送られる蒸気の流量を検出する第2検出部114が配設されており、検出結果に応じて調整弁124を通過する蒸気の流量を制御可能に構成されている。

第2検出部114は、圧力調整弁112からの蒸気の流量が、背圧蒸気タービン115を回転させるに足る流量以下であることを検出すると、調整弁124を開いて蒸気アキュムレータ122からの蒸気を背圧蒸気タービン115の入力に導く。すなわち、第2検出部114は、調整弁124を制御して背圧蒸気タービン115の回転を維持する作用をする。

第1熱交換部93は、圧力調整弁117を介して背圧蒸気タービン115から送られた蒸気および蒸気アキュムレータ調節弁123を介して蒸気アキュムレータ122から送られた蒸気を受けて第2の系へ熱エネルギーを移転する主蒸発器931を有している。第2熱交換部94は、主蒸発器931において第2の系へ熱エネルギーを伝達した蒸気を受けて第2の系へ熱エネルギーを伝達する予熱器941を有している。予熱器941において第2の系の低沸点媒体を予熱した蒸気は、排水貯留部15へ送られる。予熱器941および主蒸発器931は、第2の系の低沸点媒体が、まず予熱器941により予熱され、次いで主蒸発器931により蒸気へ変換されるよう、直列に接続されている。

(第10の実施形態の動作) 蒸気供給源10から流量が時間的に不安定な蒸気を受けると、蒸気分割部11の検出部111は、蒸気の流量を検出して圧力調整弁113を制御して蓄熱部12への蒸気流量を調節する。蓄熱部12の蒸気アキュムレータ122は、蒸気アキュムレータ調節弁121から蒸気を受けると、当該蒸気を蓄えて減圧し、蒸気アキュムレータ調節弁123を介して主蒸発器931へ送る。この結果、主蒸発器931は、蒸気供給源10から受けた蒸気よりも減圧され時間的に平準化された蒸気を受けることになる。

この実施形態では、蒸気アキュムレータ122から出力される蒸気の圧力と、蒸気供給源10から与えられる蒸気の圧力の差が生じている。そこで、蒸気供給源10からの蒸気を背圧蒸気タービン115に供給して仕事をさせる。このとき、背圧蒸気タービン115における仕事量を適切なものとすると、背圧蒸気タービン115にて仕事をして調整弁117を経て出力される蒸気の圧力を、蒸気アキュムレータ122にて時間的に平準化され蒸気アキュムレータ調節弁123を経て出力される蒸気の圧力と同程度にまで減圧することが可能になる。

主蒸発器931は、ほぼ同圧力に調整された背圧蒸気タービン115の出力蒸気と蒸気アキュムレータ122の出力蒸気とを用いて熱交換し、第2の系の低沸点媒体を蒸気に変換する。また、予熱器941は、主蒸発器931における熱交換により温度や圧力が低下した蒸気を用いて熱交換し、第2の系の低沸点媒体を予熱する。

予熱器941は、主蒸発器931よりも第2の系における上流側に配設されている。すなわち、予熱器941は、凝縮器171により冷却された低沸点媒体を、主蒸発器931にて熱伝達した蒸気を用いて予熱し、主蒸発器931へ送る。主蒸発器931は、予熱器941により予熱された低沸点媒体を、背圧蒸気タービン115から送られる蒸気および蒸気アキュムレータ122から送られる蒸気を用いて蒸発させ、媒体タービン162へ送る。

この実施形態の発電システムによれば、蒸気供給源10から発生する蒸気が安定したものではなく間欠的なものであっても、安定した電気出力を得ることができる。

(第11の実施形態) 続いて、図12を参照して、第11の実施形態の発電システムを詳細に説明する。この実施形態の発電システム511は、第10の実施形態の発電システムにおける第3熱交換部17の構成を変更したものである。以下の説明において、第10の実施形態と共通する要素について共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。図12に示すように、この実施形態の発電システムにおける第3熱交換部37は、凝縮器171および媒体ポンプ172に加えて、再生器173を有している。

再生器173は、媒体タービン162において仕事をした低沸点媒体を受けて、媒体ポンプ172により送られる低沸点媒体に熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーを得た低沸点媒体は凝縮器171にて冷却され、媒体ポンプ172により再生器173に戻される。この実施形態の第3熱交換部37は、第2の系において仕事をした低沸点媒体の冷却効率を高めることができるので、発電効率を向上することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

1…発電システム、10…蒸気供給源、11…蒸気分割部、12…蓄熱部、13…第1熱交換部、14…第2熱交換部、15…排水貯留部、16…タービン部、17…第3熱交換部、18…発電部、19…冷却水系、111…検出部、112,113…圧力調節弁、121,123…蒸気アキュムレータ調節弁、122…蒸気アキュムレータ、131…主蒸発器、132,142…逆流防止弁、141…予熱器、161…蒸気加減弁、162…媒体タービン、171…凝縮器、172…媒体ポンプ、181…媒体タービン発電機、191…冷却塔、192…冷却水ポンプ。